一種熱電偶原位校準(zhǔn)方法的研究

摘要:介紹了一種改進(jìn)型熱電偶在原有基礎(chǔ).上增加標(biāo)準(zhǔn)熱電偶放置孔使被檢熱電偶電極與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶電極處于同一均溫塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)改進(jìn)型熱電偶原位校準(zhǔn)。通過實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)與原位校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的對比及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,表明該熱電偶原位校準(zhǔn)具有很好的實(shí)施性和正確性。
0引言
　　近年來隨著工業(yè)技術(shù)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(lǐng)域熱電偶溫度傳感器得到越來越多的應(yīng)用。熱電偶主要應(yīng)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(guān)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(shè)備.上拆卸下來送到實(shí)驗(yàn)室才能進(jìn)行計量校準(zhǔn)但此過程一方面在拆卸過程中容易損壞熱電偶及溫度設(shè)備導(dǎo)致設(shè)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(jìn)行一-次拆卸和安裝.且送進(jìn)實(shí)驗(yàn)室計量校準(zhǔn)周期較長工業(yè)設(shè)備需停線待檢在一定程度上降低了設(shè)備的生產(chǎn)效率。國內(nèi)工業(yè)設(shè)計過程中很少考慮儀器儀表的校準(zhǔn)對于熱電偶原位校準(zhǔn)"的研究更是幾乎沒有。熱電偶原位校準(zhǔn)可以實(shí)現(xiàn)熱電偶不用拆卸在原有位置.上進(jìn)行計量校準(zhǔn)。因此熱電偶原位校準(zhǔn)的計量方式變得尤為重要。
1熱電偶原位校準(zhǔn)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(hù)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(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路,當(dāng)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(yīng)(Seebeckefct[3。當(dāng)有兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組成一一個回路其兩端相互連接時,只要兩結(jié)點(diǎn)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(dǎo)體的材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)(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(yīng)著一定.的溫度只需測量熱電動勢就可達(dá)到測溫的目的。熱電偶工作原理如圖1所示。
 
1.2原位校準(zhǔn)工作原理及基本結(jié)構(gòu)
1.2.1工作原理
　　熱電偶原位校準(zhǔn)是指直接在熱電偶工作設(shè)備上進(jìn)行計量校準(zhǔn)工作此校準(zhǔn)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(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)須將熱電偶進(jìn)行升級改造增加放置標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的校準(zhǔn)孔和均溫塊標(biāo)準(zhǔn)熱電偶校準(zhǔn)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(zhǔn)孔頂端處于同一平面。計量校準(zhǔn)時將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶插入到熱電偶預(yù)制的均溫塊校準(zhǔn)孔中被檢熱電偶的測溫端與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的測溫端處于相同的均溫場待溫度設(shè)備溫度穩(wěn)定后,依據(jù)技術(shù)文件依次測量相應(yīng)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(zhǔn)工作。
1.2.2基本結(jié)構(gòu)
　　具有標(biāo)準(zhǔn)熱電偶校準(zhǔn)孔的熱電偶主要由熱電極、絕緣物、不銹鋼外層保護(hù)套管及均溫塊等組成。基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。
 
2試驗(yàn)分析
　　將溫度設(shè)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(jī)構(gòu)溫度實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn),得到一組校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。利用本文研究的原位校準(zhǔn)方法,使用相同的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶對以上5根熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)與原位校準(zhǔn)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(fù)性一致初步驗(yàn)證該方法科學(xué)合理、切實(shí)可行。
3原位校準(zhǔn)的不確定度分析
3.1數(shù)學(xué)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(zhǔn)點(diǎn)示值誤差(℃);TR為熱電偶各校準(zhǔn)點(diǎn)示值(℃);Ts為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶各校準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)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(fù)性引入的不確定度分量u(TR)
　　被檢熱電偶示值重復(fù)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(diǎn)600℃為例溫度點(diǎn)在600℃穩(wěn)定后，對被校準(zhǔn)溫度計進(jìn)行重復(fù)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(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差:
 
　　采用A類不確定度評定方法則由熱電偶示值重復(fù)性引入的不確定度分量u(TR)):
 
3.3.2溫度標(biāo)準(zhǔn)器引入不確定度分量u(Ts)
　　溫度標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶引入不確定度分量u2
　　本次校準(zhǔn)采用的是二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量可直接引用證書中600℃時的擴(kuò)展不確定度0.5℃(k=2)則:.
 
4總結(jié)
　　針對熱電偶原位校準(zhǔn)技術(shù)的研究通過對熱電偶增加標(biāo)準(zhǔn)熱電偶校準(zhǔn)孔及均溫塊實(shí)現(xiàn)熱電偶的改進(jìn)使熱電偶不用拆卸,在原有位置上進(jìn)行計量校準(zhǔn)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(jìn)型熱電偶市場前景廣闊具有推廣價值。