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T 型热电偶测量中冷端补偿温度的研究

来源:www.mms-cn.com作者:邹 轶发表时间:2020-10-26 11:06:30

摘 要: T 型热电偶是使用率极高的一种温度测量仪器。本文参照规程 JJG 368 - 2000《工作用铜 - 铜镍热电偶》,对 T 型热电偶的校准方法进行探讨与研究,通过改变补偿温度找到其与 T 型热电偶的影响关系。

引言

        热电偶是两种不同材料的导体基于塞贝克效应制成的温度计。通常两种不同材料的导体称为热电偶的两个电极,其两个电极的一端焊接在一起形成一个接点,称测量端,测量时放置在被测温场中; 另一端为测量时置于某一恒定温场中,称参考端。热电偶测温的基本原理是热电效应原理,即两种不同的金属导体连接形成回路,如果连接的两点温度不同,那么在测量的回路当中就会有一个电动势产生,从而形成电流,这就是热电偶测温中的热电效应。应用中热电偶回路接入测量系统,由于热电偶成本较高以及场地所限等问题经常要在热电偶中插入第三种材料将信号传至测量系统,第三种材料通常称为补偿导线。在进行测温系统建设时首先选用与热电偶相配套的补偿导线将热电偶冷端延伸到控制室,然后再与变送、显示、记录、调节仪表或数据采集卡等设备相连。

        热电偶分标准热电偶和工作用热电偶。标准热电偶在工艺生产上相对稳定,分度上一致性良好,国标统一。标准热电偶通常有八类,其中贵金属热电偶有三类,分别是 S,R,B; 廉金属热电偶有五类,分别是 K,N,E,J,T。工作用热电偶通常可进行特殊环境下的温度计量,分度表并不固定。工作用铜 -铜镍热电偶即 T 型热电偶,具有精度高、性能稳、寿命长、价格低等特点,在温度计量中,T 型热电偶被广泛应用。 

1 热电偶的冷端补偿

        根据热电偶的物理学原理,其热电动势的高低等于测量前端温度与冷端温度的差值。为确保热电动势与待测温度为线性关系,冷端温度必须保持在稳定的温度。

        当冷端为 0℃ 时,热电偶输出的电势与热端感受温度有一一对应关系,热电偶的分度表也是以此为前提的。当冷端温度不为 0℃ 时,将运用数学补偿及逻辑修正的方法。

        常用冷端温度补偿方法有冰点法、恒温迁移补偿法、热电势修正法、电桥补偿法、二级管补偿法、集成温度传感器补偿法和软件补偿法。

        实验室里常用冰点补偿法,冰点法是将补偿导线末端放入冰水混合物或零度恒温器中,这样热电偶冷端的温度就是 0℃,可直接测出热端温度。该方法原理简单,测量误差小,一般情况下误差可忽略不计。

        户外试验常用的方法为恒温迁移补偿法,此种方法是根据补偿导线末端所处环境温度的大小,人为将显示或记录仪表的零点调到该值,恒温迁移补偿法引入的误差很小,尤其是对于高温测量,其相对误差更小。 

2 热电偶的检测现状

        热电偶因两电极材料不同,有很多组合,组合不同测温区间不一样,因此国内外大部分研究都集中在选型的探析上,如任平的《热电偶的使用和选型探析》,[1]谢清俊《热电偶测温技术相关特性研究》 等。[2]有对热电偶不同测温方式带来不同测温结果的研究,如施吉《多种热电偶测温方式对比研究分析》,[3]也有对热电偶不确定度分析的研究,如董雪《基于 T 型热电偶的国防计量标准不确定度的评定》。[4]

        在实际工业生产中,系统的温度控制对产品质量至关重要。热电偶是工业生产中温度控制系统常用的测量部件,对控温系统的控温准确性至关重要。其冷端补偿、动态响应测量与瞬态测温性能也是目前业界的研究热点。如张根甫《热电偶温度传感器动态响应特性研究》,[5]从热电偶传感器的动态响应实验中发现热电偶测温存在一定的延误量且该延误量与时间常数有关; 薛光辉《热电偶传感器温控系统误差研究》[6]阐述了温控器的使用与热电偶的冷端补偿对温度控制系统的控制精度和准确度综合影响等。

        以上研究均以补偿温度为冰点进行研究分析,在测量中,通常对环境温度提出了相应的要求,是为了让实验数据在可控的范围内更加精准。然而仪器在使用中通常是不具备实验室所要求的温度环境。

        本文试图通过实验数据找到 T 型热电偶在使用过程中补偿温度对其示值结果的影响关系。为企业 T型热电偶的生产和使用带来帮助。

3 实验方案

        本方案希望通过控制标准温度计的合理性、测量仪表的精度、热源温场的稳定性、被测对象的可靠性,给补偿温度 5 个工况( 即 0℃、10℃、20℃、30℃、 40℃ ) ,从而找到 T 型热电偶在使用过程中补偿温度对其示值结果的影响关系。 对 3 支量程范围为 0℃ ~ 120℃ 的 1 级 T 型热电偶进行测量校准,测量温度点为 100℃。依据 JJG 368 - 2000《工作用铜 - 铜镍热电偶》,[7]100℃ 时,1 级 T 型热电偶的最大允许误差为 ± 0. 5℃。

        通过对规程 JJG 368 - 2000《工作用铜 - 铜镍热电偶》中计量标准器及主要配套设备的参数指标分析与讨论,标准器选用二等标准铂电阻温度计与自动测温电桥的组合; 选用湖州翔安试验设备生产的HTS - 300A 恒温油槽作为热电偶测量端温场热源;选用深圳市艾依康仪器仪表公司 TL - 1010N 精密恒温槽为了补偿温度提供五个温度工况; 选用福禄克高精度数字温度计为补偿温度提供标准值; 选用 0. 01 级特稳携式校验仪直接读取 T 型热电偶的温度测量值,标准器及主要配套设备见表 1。

校准选用主要标准器及配套设备

4 实验过程

        实验室环境温度 23℃,相对湿度 58% 。使得三支 T 型热电偶测量端对齐,放入石英管中,并用脱脂棉封闭管口。将石英管和标准铂电阻温度计预热后插入 100℃ 的恒温油槽中,稳定时间不低于 20min,石英管中热电偶通过铜补偿导线与特稳携式校验仪连接,标准铂电阻温度与自动测温电桥相连,并将铜补偿导线与特稳携式校验仪的补偿导线一同用石英管套住封好置入精密恒温槽中,精密恒温槽分别设置 0℃、10℃、20℃、30℃、40℃ 五个工况,每个工况稳定时间不低于 20min。 

        T 型热电偶的温度示值从特稳携式校验仪中读取并记录,标准器温度示值从自动测温电桥中读取并记录,测量过程无异常,100℃ 时 T 型热电偶的测量数据见表 2。

T 型热电偶 100℃时校准实验数据

        根据公式,实验室误差 = T 型热电偶测量值 -标准温度计示值,得到表 3。

T 型热电偶 100℃时实验室误差汇总表

5 总结

        补偿温度为 0℃、10℃、20℃、30℃、40℃ 五个工况时,三支 T 型热电偶在 100℃ 测量中的示值误差均符合该等级热电偶要求。

        从测量实验数据可见同一支 T 型热电偶测量示值误差最大差异值为 0. 1℃ ; 补偿温度上升,三支T 型热电偶的示值误差无规律可寻。

        故即使环境温度变化( 冷端补偿情况不同) ,也不足以对工作用 T 型热电偶测量结果产生影响。客户使用工作用 T 型热电偶时只需要正确补偿,可以不用考虑环境温度的或高或低情况。