一種熱電偶原位校準方法的研究

摘要:介紹了一種改進型熱電偶在原有基礎.上增加標準熱電偶放置孔使被檢熱電偶電極與標準熱電偶電極處于同一均溫塊內實現(xiàn)改進型熱電偶原位校準。通過實驗室校準與原位校準數(shù)據(jù)的對比及實驗結果分析,表明該熱電偶原位校準具有很好的實施性和正確性。
0引言
　　近年來隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)展在生物醫(yī)藥、汽車制造航空航天、石油石化等領域熱電偶溫度傳感器得到越來越多的應用。熱電偶主要應用于工業(yè)生產(chǎn)中溫度的控制及監(jiān)測其輸出溫度正確與否直接關系到產(chǎn)品是否符合生產(chǎn)工藝要求。現(xiàn)階段需要將熱電偶從設備.上拆卸下來送到實驗室才能進行計量校準但此過程一方面在拆卸過程中容易損壞熱電偶及溫度設備導致設備儀器無法正常工作;另一方面由于檢定規(guī)程要求檢定周期--般為半年故每半年就要進行一-次拆卸和安裝.且送進實驗室計量校準周期較長工業(yè)設備需停線待檢在一定程度上降低了設備的生產(chǎn)效率。國內工業(yè)設計過程中很少考慮儀器儀表的校準對于熱電偶原位校準"的研究更是幾乎沒有。熱電偶原位校準可以實現(xiàn)熱電偶不用拆卸在原有位置.上進行計量校準。因此熱電偶原位校準的計量方式變得尤為重要。
1熱電偶原位校準的研究
1.1熱電偶工作原理
　　熱電偶一般由熱電極絕緣管,保護套管和接線盒等部分組成。按感溫元件材料分為鎳鉻-鎳硅熱電偶(K型)、鎳鉻硅-鎳硅熱電偶(N型)、鎳.鉻-銅鎳熱電偶(E型)、鐵-銅鎳熱電偶(J型)及銅-銅鎳(康銅)熱電偶(T型)。
　　熱電偶測溫的工作原理是兩種不同成份的材質導體組成閉合回路,當兩端存在溫度梯度時,回路中就會有電流通過,此時兩端之間就存在熱電動勢這就是所謂的塞貝克效應(Seebeckefct[3。當有兩種不同的導體或半導體A和B組成一一個回路其兩端相互連接時,只要兩結點處的溫度不同,一端溫度為T1，稱為工作端或熱端另-端溫度為T0稱為自由端(也稱參考端)或冷端,回路中將產(chǎn)生一個電動勢該電動勢的方向和大小與導體的材料及兩接點的溫度有關(4。熱電動勢只隨測量端溫度的變化而變化,即一定的熱電動勢對應著一定.的溫度只需測量熱電動勢就可達到測溫的目的。熱電偶工作原理如圖1所示。
 
1.2原位校準工作原理及基本結構
1.2.1工作原理
　　熱電偶原位校準是指直接在熱電偶工作設備上進行計量校準工作此校準方式避免了拆卸熱電偶產(chǎn)生的各類問題。熱電偶原位校準的實現(xiàn)須將熱電偶進行升級改造增加放置標準熱電偶的校準孔和均溫塊標準熱電偶校準孔與熱電偶電極平行均溫塊尺寸符合均溫要求且熱電偶電極頂端位置與校準孔頂端處于同一平面。計量校準時將標準熱電偶插入到熱電偶預制的均溫塊校準孔中被檢熱電偶的測溫端與標準熱電偶的測溫端處于相同的均溫場待溫度設備溫度穩(wěn)定后,依據(jù)技術文件依次測量相應的溫度值(電勢差),即可得到熱電偶的示值誤差完成熱電偶計量校準工作。
1.2.2基本結構
　　具有標準熱電偶校準孔的熱電偶主要由熱電極、絕緣物、不銹鋼外層保護套管及均溫塊等組成。基本結構如圖2所示。
 
2試驗分析
　　將溫度設備(熱處理爐)上的5根型號為K型,電極直徑為0.5mm,儀器編號分別為1#、2#、3#、4#、5#的熱電偶拆卸送至某計量機構溫度實驗室內進行校準,得到一組校準數(shù)據(jù)。利用本文研究的原位校準方法,使用相同的標準熱電偶對以上5根熱電偶進行校準得到另一-組數(shù)據(jù),兩組數(shù)據(jù)見表1。
 
　　由表1中的數(shù)據(jù)可以看出5根熱電偶實驗室校準與原位校準數(shù)據(jù)示值誤差的最大差值為0.28℃幾乎與熱電偶本身測量重復性一致初步驗證該方法科學合理、切實可行。
3原位校準的不確定度分析
3.1數(shù)學模型
　　被檢熱電偶的示值誤差由下面方程得到:
 
　　式中:e為熱電偶各校準點示值誤差(℃);TR為熱電偶各校準點示值(℃);Ts為標準熱電偶各校準點的標準值(℃)。
3.2靈敏度系數(shù).
 
3.3不確定度評定
3.3.1被檢熱電偶示值重復性引入的不確定度分量u(TR)
　　被檢熱電偶示值重復性的不確定度u(TR)屬A類評定,正態(tài)分布。以熱電偶常用溫度點600℃為例溫度點在600℃穩(wěn)定后，對被校準溫度計進行重復測量10次,數(shù)據(jù)為598.35,597.68,598.45,599.16,599.32598.27℃、597.85,599.50,598.08598.61℃。利用貝塞爾公式計算其實驗標準偏差:
 
　　采用A類不確定度評定方法則由熱電偶示值重復性引入的不確定度分量u(TR)):
 
3.3.2溫度標準器引入不確定度分量u(Ts)
　　溫度標準器引入不確定度分量包括顯示裝置分辨力引入不確定度分量u1二等標準鉑銠10-鉑熱電偶引入的不確定度分量u2。
3.3.2.1顯示裝置分辨力引入的不確定度分量u1
　　顯示裝置顯示的分辨力為0.01C服從均勻分布包含因子k取、√3則:
 
3.3.2.2二-等標準鉑銠10-鉑熱電偶引入不確定度分量u2
　　本次校準采用的是二等標準鉑銠10-鉑熱電偶標準不確定度分量可直接引用證書中600℃時的擴展不確定度0.5℃(k=2)則:.
 
4總結
　　針對熱電偶原位校準技術的研究通過對熱電偶增加標準熱電偶校準孔及均溫塊實現(xiàn)熱電偶的改進使熱電偶不用拆卸,在原有位置上進行計量校準避免拆卸和安裝熱電偶產(chǎn)生的儀器損壞及生產(chǎn)效率的降低。該改進型熱電偶市場前景廣闊具有推廣價值。