工業用熱電偶現場校準問題解析

摘要:工業用熱電偶的現場校準普遍采用干體式溫度校準爐，與實驗室校準所使用的檢定爐存在較大的差異，往往在實驗室檢定合格的工業用熱電偶，在工業現場進行校準時，誤差卻相差很大。因此，從熱電偶的測溫原理、基本定律、標準儀器等方面對上述問題進行了實驗，最終得出影響熱電偶現場校準的主要因素。
1引言
　　自塞貝克發現熱電效應以來，隨著科學技術的不斷發展，熱電偶已經成為目前溫度測量領域中應用最為廣泛的感溫元件之一。其主要優點是:測溫范圍廣，可以在1K-~2800K的廣闊溫域內進行測量;性能穩定、準確可靠，此外，還有結構簡單、熱慣性小、動態響應速度快、信號能夠遠距離傳送和多點測量等優點，便于實現集中檢測與控制。因此，在工業生產和科學等領域中，廣泛地應用熱電偶來測量溫度。
　　對工業用熱電偶的校準(300℃以上，以下不做說明),在普遍使用檢定爐、標準熱電偶、測量儀器等設備,采用比較的方法進行。其中，為了減少導熱誤差，必須保證熱電偶的插人深度,檢定爐的長度一般為600mml;在工業現場普遍采用干體式溫度校準爐、標準儀器等設備，同樣采用比較的方法:進行。但是，干體式溫度校準爐的深度基本在200mm左右。那么，干體式溫度校準爐是否適合于所有工業用熱電偶的校準?
2熱電偶的有關概念與基本定律
2.1熱電偶有關概念
2.1.1熱電偶工作原理
　　由兩種不同金屬或合金A、B組成，如圖1左圖的閉合回路，是最簡單的熱電偶回路，這兩種不同金屬或合金的組合就稱為熱電偶。
 
　　實際測溫中的熱電偶回路如圖1右圖所示，A.B稱為熱電極,它們的一端通常焊接在一起形成接點，稱為測量端(工作端或熱端)，而另一端稱為參考端(自由端或冷端)。測溫時，將熱電偶的測量端置于被測溫場中,其參考端恒定在某溫度下(通常為0℃),然后通過連接導線與測量儀表相連。由于熱電偶兩端所處的溫度不同，在熱電偶回路中就有電動勢產生。用測量儀表測得電動勢的數值后，便可間接知道相應的溫度或者直接由測量儀表指示出溫度。
2.1.2熱電偶回路中的總熱電勢
　　熱電偶回路中的總熱電勢為接觸電勢與溫差電勢的疊加。通過一系列數學運算后，可以得到以下幾個重要結論:
(1)熱電偶回路中總的熱電勢的大小與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關，而與熱電偶的形狀和幾何尺寸無關。熱電偶回路中總熱電勢的方向與熱電偶兩端溫度有關。由于溫差電勢較接觸電勢小得多,故總熱電勢方向就是測量端接觸電勢的方向。
(2)如果熱電偶的兩極材料相同，則兩接點處的接觸電勢等于零，而兩熱電極的溫差電勢大小相等，方向相反，回路中總熱電勢等于零。如果熱電偶兩端溫度相同，則兩熱電極的溫差電勢等于零，而兩接點處的接觸電勢大小相等，方向相反，回路中總熱電勢也等于零。因此，只有當熱電偶兩接點溫度不同時才有熱電勢產生。
(3)若組成熱電偶的材料一定，則熱電偶回路中總熱電勢的大小僅與兩接點溫度有關，也就是說:熱電勢是兩接點溫度的函數，其大小為兩個接點溫度的函數差。如果想辦法使熱電偶參考端溫度保持恒定，總熱電勢只與測量端溫度有關，成單值函數關系。熱電偶回路中的熱電勢與溫度的關系稱為熱電偶的熱電特性。
2.2基本定律.
2.2.1均質導體定律
　　由一種均質導體(或半導體)組成的閉合回路,不論導體(或半導體)的截面和長度如何以及各處的溫度分布如何，都不會產生熱電勢。
2.2.2中間導體定律
　　在熱電偶回路中接入第三種金屬材料，只要這第三種金屬材料兩端的溫度相同,熱電偶產生的熱電勢保持不變，不受第三種金屬接入的影響。
　　利用熱電偶的這個特性，可以在熱電偶回路中引人各種測量儀表和連接導線，而且也可以采用各種焊接方法來焊接熱電偶，只要保證中間導體本身兩端溫度相同，就不致影響熱電偶的熱電勢值。同時,根據這個基本定律，還可以利用開路熱電偶測量液態金屬和金屬壁面的溫度。
2.2.3參考電極定律
　　若將某一熱電極作為參考電極(也稱標準電極),若已知參考電極與各熱電極組合配對時的熱電勢，則可求出這些熱電極彼此任意組合時的熱電勢。
2.2.4連接導體定律與中間溫度定律
　　在熱電偶回路中，如果熱電極分別與連接導線相連接，則回路中的總熱電勢等于熱電偶的熱電勢與連接導線的熱電勢的代數和。
　　連接導線定律為在工業測溫中應用補償導線提供了理論基礎。這樣，只要選配與熱電偶的熱電特性相同的補償導線，便可使熱電偶的參考端遠離熱源而不影響熱電偶的測溫正確性。
　　中間溫度定律為使用分度表奠定了理論基礎。根據這個定律，只要知道參考端溫度為0℃時的熱電勢與溫度的關系，則參考端溫度不等于0℃的熱電勢都可求出;反之，若已知參考端溫度不為0℃時的熱電勢值，也可以求出參考端為0℃時的熱電勢值。在現場實際測溫時，常用此公式來修正參考端的溫度。
 
3實驗過程描述
3.1實驗前的準備
　　采用Fluke744作為測量標準器，通過補償導線與被校熱電偶連接,組成測量電路，根據中間導體定律與連接導體定律，該測量電路不影響熱電偶的測溫。選取的被校熱電偶，如表1所示，分別在干體式溫度校準爐Fluke9173(自帶L型精密鉑電阻參考測溫儀)以及臥式檢定爐中進行實驗，如圖2所示。恒溫設備的技術參數如下:
 
(1)干體式溫度校準爐Fluke9173:測量范圍為50-700℃，井深為203mm;
(2)臥式檢定爐:測量范圍為300-1200℃,長度600mm。
 
3.3實驗結果的分析與問題探討
　　通過實驗，對比在插人深度為200mm左右的干體式溫度校驗爐中的校準結果與在插人深度為300mm左右的臥式檢定爐中的校準結果的差值，可以得到以下結果:
長度在400~1000mm的鎧裝熱電偶與長度在600mm以下的工業熱電偶，差值比較小;長度在600~1000mm的工業熱電偶，差值比較大。并且該差值隨著熱電偶長度的增加而增大，隨著實驗溫度點的增加而增大。
　　根據熱電偶的均質導體定律,有以下幾個結論:
(1)如果熱電偶是由兩種均質導體組成，則熱電偶的熱電勢僅與兩接點溫度有關，而與沿熱電極的溫度分布無關。
(2)如果熱電偶的熱電極是非均質導體，則相當于不同性質熱電極構成的熱電偶。在不均勻溫場中測溫時將造成測量誤差。
對照結論(1)與實驗結果，可以發現矛盾:熱電偶的熱電勢值與插人溫度源中的長度有關，而非結論(1)所描述。
對照結論(2)與實驗結果,本文對所選用的熱電偶材質進行了分析，發現熱電極為均質導體。對插人臥式檢定爐中的深度縮短至200mm左右,結果得出與干體式溫度校驗爐同樣的數據。
綜上分析，得到以下結論:
(1)熱電偶在校準時，校準結果與插人深度有關。不論在現場校準還是實驗室校準時，容易受環境溫度等外界條件的影響，也就是說溫差電勢與接觸電勢相比，占據比較大的比例，遠遠超出可以忽略的程度，只有保證了足夠的插入深度，才可以降低溫差電勢。因此，我們必須嚴格按照JJG351--1996《工業用廉金屬熱電偶檢定規程》以及JJF1262--2010《鎧裝熱電偶校準規范》的要求進行，否則將產生比較大的偏差。(2)鎧裝熱電偶在校準時，對溫度源的穩定性要求比較高，JJF1262-2010明確要求要配備均溫塊進行校準。在工業現場校準時，干體式溫度校驗爐雖然滿足了插入深度的要求，但是工業現場條件往往比較惡劣，導致校驗爐內溫度波動比較大，進而產生偏差。
(3)工業熱電偶的現場校準存在比較麻煩的問題，JJG351-1996中明確規定熱電偶的插人深度在300mm及以上，而目前干體式溫度校驗爐的井深均在250mm以下。因此，對于長度在600mm及以上工業熱電偶，現場校準是不合適的，存在比較大的偏差;對于600mm以下的工業熱電偶，本文認為可以嘗試使用配置標準參考溫度計的干體式溫度校驗爐進行，如果偏差過大，還需實驗室校準。