熱電偶校準過程中的不同冷端補償方法

摘要:在K型熱電偶校準時,由于熱電偶的長度不一,參考端溫度大都處于室溫或者波動的溫場之中,需要將參考端溫度恒定在0℃或采取修正、補償等措施進行修正。比較常用的有3種的冷端補償方法,現通過校準同一支K型熱電偶,對結果進行比較分析,得到這3種方法得出的示值誤差排序。結果表明,“將參考端采用達到高一等級的熱電偶精度水平的同極性熱電偶絲延伸至參考端恒溫器”方法能獲得較為理想的補償效果。
0引言
　　根據校準規范JJF1637-2017《廉金屬熱電偶校準規范》的要求，為保證熱電偶測量結果的正確可靠,新制造和使用中的熱電偶需要進行校準。校準過程中要求熱電偶的參考端引入到冰點恒溫器內,但是由于熱電偶的長度長短不一,出現標準熱電偶和被校熱電偶的參考端不能同時置于冰點恒溫器的情況。而結果判定的依據須以參考端為0℃的熱電動勢，因此需要將參考端不為0℃的熱電動勢修正為參考端溫度為0℃的熱電動勢,然后帶人計算公式中,得到正確的計算結果。
1實驗方法
　　在校準過程中,可以有三種不同的冷端補償方法,現以一支II級工作用K型(鎳鉻-鎳硅)熱電偶為例,長度為1200mm,經校準400℃,600℃,800℃的示值誤差為1.2℃,1.3℃,1.3℃,然后截取長度為600mm為被校熱電偶,實驗條件:實驗室溫度恒定為20℃,濕度為40%RH,通過校準結果的計算分析,討論各種方法的精度。
1.1冷端補償方法一
　　將標準熱電偶的參考端置于參考端恒溫器內,被校熱電偶的參考端用到達K型熱電偶I級精度水平的同極性熱電偶延伸至參考端恒溫器內。
采用該方法校準時,標準熱電偶的參考端置于充滿冰水混合物的保溫瓶之中,被校熱電偶的參考端與延長用的1級K型熱電偶同極性各端平行重疊,重疊部分約為10mm,用直徑為0.2mm的漆包銅絲扎緊,困扎圈數為10圈。得到各校準點的溫度數據,如表1。
 
　　查閱相關資料可得,標準熱電偶在400℃,600℃,800℃的微分熱電動勢分別為9.57μV/℃,10.21μV/°C,10.87μV/C,K型熱電偶在400℃600℃,800的微分熱電動勢分別為42.24μV/℃,42.51μV/℃,41.00μV/℃,則各個校準點的示值誤差分別計算如下:
400℃時:
 
1.2冷端補償方法二
　　將標準熱電偶的參考端置于參考端恒溫器內,被校熱電偶的參考端用補償導線將其延伸至參考端恒溫器內。
　　采用該方法進行校準時,標準熱電偶的參考端置于充滿冰水混合物的保溫瓶之中,被校熱電偶采用K型補償導線按照相同極性進行連接,將其延伸至充滿冰水混合物的保溫瓶之中,得到各校準點的溫度數據,如表2。
 
各個校準點的示值誤差分別計算如下:
　　400℃時:△t400=1.3℃;600℃時:△t00=1.39℃;800℃時:L8g00=1.4℃。
1.3冷端補償方法三
　　將標準熱電偶的參考端置于參考端恒溫器內，被校熱電偶的參考端放置精密水銀溫度計進行測量并修正。
　　用此方法進行校準時，標準熱電偶的參考端置于充滿冰水混合物的保溫瓶之中,被校熱電偶的參考端采用經檢定合格的精密水銀溫度計進行測量,得到三個校準點的校準數據如表3(已經對精密水銀溫度計引入的誤差進行了修正)。
 
　　參考端溫度分別為20.10℃,20.28℃,20.30℃,
　　需要注意的是,示值誤差計算公式中的熱電動勢要求帶人的是參考端溫度為0℃的數值,而此種校準方法得到的被校熱電偶讀數的參考端溫度不符合要求,因此必須將被校熱電偶的參考端溫度修正到0℃才能帶人計算公式，否則計算結果會出現錯誤。
　　查表得在三個參考端溫度的修正值分別為:0.803mV,0.809mV,0.810mV,因此經修正過的被校熱電偶在:
400℃時電勢值e=15.6678+0.803=16.4708(mV);
600℃時電勢值e=24.3576+0.809=25.1666(mV);
8009C時電勢值e=32.5585+0.810=33.3685(mV)。.
　　通過進一步計算可得到各個校準點對應的示值誤差為:
400℃時:△t400=1.6℃;600℃時:△t600=1.6℃;
800℃時:△t800=1.6℃。
2結果與討論
　　以上三種方法,綜合得到的結果見表4。
 
　　由以上數據可知,在三種方法中,方法一最接近原始數據,方法三與原始數據的偏差最大。經分析，方法一相當于直接把被校熱電偶的長度延長,達到放入參考端恒溫器的目的,數據基本一致。
　　方法三的精度最低,因為用精密水銀溫度計進行測量并修正，與方法一和方法二相比較,此種方法中被校熱電偶的參考端溫度受到檢定爐周圍空氣溫度變化的影響最大,此時檢定爐周圍空氣的溫度受檢定爐加熱狀態的影響而變化,精密水銀溫度測量到的參考端溫度也會隨之波動,而且檢定爐設定的溫度的升高,由這個影響量引入的測量誤差也越來越大。
　　同樣的,方法二的測量精度居中的原因也是因為使用補償導線延伸了被校熱電偶的長度,使被校熱電偶的參考端溫度受到檢定爐周圍空氣溫度變化的影響減小了很多;主要測量誤差是補償導線的使用。必須注意的是補償導線與熱電偶參考端的兩接點溫度不一致容易造成誤差,在校準過程中應該絕對避免，要保證其連接處兩接點溫度相同。
　　因此得出在校準熱電偶的過程中,必須使用補償導線進行溫度補償,而將參考端采用達到高一等級的熱電偶精度水平的同極性熱電偶絲延伸至參考端恒溫器的方法能獲得較為理想的補償效果。