檢定S型短型熱電偶的4種不同冷端補(bǔ)償方法

摘要:檢定長度在200~700mm范圍內(nèi)的S型熱電偶時(shí)，由于參考端溫度大都處于室溫或者波.動(dòng)的溫場之中，需要將參考端溫度恒定在0℃或采取修正、補(bǔ)償?shù)却胧┻M(jìn)行修正?，F(xiàn)采取檢定中最常用的4種不同的冷端補(bǔ)償方法檢定同一支S型短型熱電偶,對結(jié)果進(jìn)行比較分析，得到這4種不同的冷端補(bǔ)償方法的優(yōu)劣性及其準(zhǔn)確度排序。結(jié)果表明，“將參考端應(yīng)用達(dá)到一等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶準(zhǔn)確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(bǔ)償效果。
　　根據(jù)我國JJG668-97《工作用鉑銠10-鉑、鉑.銠13-鉑短型熱電偶》檢定規(guī)程規(guī)定:新制的和使用中的測量溫度范圍為300~1300℃，長度在200~700mm范圍內(nèi)的工作用S型及R型熱電偶簡稱短型熱電偶。由于此類型熱電偶的長度較為特殊，在檢定的時(shí)候通常難以達(dá)到“將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和被檢短型熱電偶的參考端同時(shí)置于參考端恒溫器內(nèi)”的要求,但是在計(jì)算過程中,必須將參考端溫度不為0℃的熱電動(dòng)勢修正到參考端溫度為0℃的熱電動(dòng)勢帶入公式才能得到正確的計(jì)算結(jié)果。
1實(shí)驗(yàn)方法
　　筆者將一支長度為1000mm的S型II級工業(yè)熱電偶先在昆明貴金屬研究所檢定,再將此偶送至云南省計(jì)量院檢定，檢定結(jié)果見表1,取2次檢定結(jié)果之平均值為此偶的分度值。然后將其截取為長度為480mm的S型短型熱電偶作為被檢定熱電偶，用.編號S209-288的一等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢定。采用實(shí)驗(yàn)室中常用的4種不同的冷端補(bǔ)償方法，對檢定結(jié)果分別進(jìn)行計(jì)算并比較，實(shí)驗(yàn)溫度恒定為20C，濕度恒定為50%。
 
1.1冷端補(bǔ)償方法一
　　將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被檢短型熱電偶的參考端同時(shí)置于參考端恒溫器內(nèi)。采用此種方法進(jìn)行檢定時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被檢短型熱電偶的參考端均置于充滿冰水混合物的保溫瓶中。
1.2冷端補(bǔ)償方法二
　　將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的參考端置于參考端恒溫器內(nèi)，被檢短型熱電偶的參考端用達(dá)到一等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶準(zhǔn)確度水平的同極性熱電偶絲延伸至參考端恒溫器內(nèi)。采用此種方法進(jìn)行檢定時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的參考端置于充滿冰水混合物的保溫瓶中，短型熱電偶的參考端與延長用的達(dá)到一等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶準(zhǔn)確度水平的同極性熱電偶絲各端平行重疊，重疊部分約10mm,用直徑為0.2mm的漆包銅絲扎緊，捆扎圖數(shù)為5圈。
1.3冷端補(bǔ)償方法三
　　將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的參考端置于參考端恒溫器內(nèi)，被檢短型熱電偶的參考端運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線將其延伸至參考端恒溫器內(nèi)。采用此種方法進(jìn)行檢定時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的參考端置于充滿冰水混合物的保溫瓶中，短型被檢熱電偶的參考端采用相同分度號的S型補(bǔ)償導(dǎo)線按照相同極性進(jìn)行連接，將其延伸至充滿冰水混合物的保溫瓶中，并提前對補(bǔ)償導(dǎo)線引入的誤差進(jìn)行修正。
1.4冷端補(bǔ)償方法四
　　將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的參考端置于參考端恒溫器內(nèi)，被檢短型熱電偶的參考端用精密水銀溫度計(jì)進(jìn)行測量并修正。采用此種方法進(jìn)行檢定時(shí),標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的參考端置于充滿冰水混合物的保溫瓶中,短型被檢熱電偶的參考端采用經(jīng)檢定合格的精密水銀溫度計(jì)進(jìn)行測量，同時(shí)需要對精密水銀溫度計(jì)引入的誤差進(jìn)行修正。
2結(jié)果與討論
　　采用4種不同的冷端補(bǔ)償方法進(jìn)行檢定，得到鋅、鋁及鋼的3個(gè)固定點(diǎn)溫度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2~5所示。
　　據(jù)檢定規(guī)程,S型熱電偶分度表中鋅、鋁及銅3個(gè)固定點(diǎn)溫度的熱電動(dòng)勢分別為3.447.5.860和10.575mV;其與鋅、鋁及銅3個(gè)固定點(diǎn)溫度相對應(yīng)的微分熱電動(dòng)勢值分別為9.64、10.40和11.80μV/C。則各個(gè)固定點(diǎn)的示值誤差分別計(jì)算如下:
 
　　式中，`E<sub>t被</sub>檢定熱電偶讀數(shù)平均值，Et標(biāo)--標(biāo)準(zhǔn)熱電偶證書值,`E_t標(biāo)一標(biāo)準(zhǔn)熱電偶讀數(shù)平均值,E1分一分度點(diǎn)熱電動(dòng)勢值,St一分度點(diǎn)微分熱電動(dòng)勢值。
 
 
 
　　需要注意的是:示值誤差計(jì)算公式中的熱電動(dòng)勢要求帶入的是參考端溫度為0℃的數(shù)值，而方法四得到的被檢熱電偶的讀數(shù)的參考端溫度卻不符合要求,因此必須將被檢熱電偶的參考端溫度修正到0℃才能帶入公式計(jì)算，否則計(jì)算結(jié)果會產(chǎn)生錯(cuò)誤。中間溫度定律指出:如果A與A',B與B’的材料相同，且接點(diǎn)溫度都是T,Tn,T0時(shí)，則
EABr,T,,T)=EAB(",T,)+EAR(,T)(4)
　　在實(shí)驗(yàn)中得到被檢熱電偶的讀數(shù)平均值其實(shí)是EAB(T,Tn)，但通過經(jīng)檢定合格的精密水銀溫度計(jì)能夠準(zhǔn)確地測量出熱電偶的實(shí)際非零的參考端溫度Tn，還可以通過S分度表查找出EAB(Tn,T0)的數(shù)值，統(tǒng)統(tǒng)帶入式(4)便可得到被檢熱電偶在參考端溫度為0℃時(shí)的熱電勢修正值,即:
EAB(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn，T0)
　　由此得E在3個(gè)固定點(diǎn)溫度的修正值如下:
 
　　采用4種不同的冷端補(bǔ)償方法檢定S型短型熱電偶的結(jié)果與被檢偶的原始檢定結(jié)果比較見表6。
 
　　從理論上,講方法一的檢定結(jié)果準(zhǔn)確程度最高，因?yàn)樵谝粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰和純水的平衡溫度為0℃，雖然實(shí)驗(yàn)室中用清沽的水和冰屑相混合放在保溫瓶中達(dá)到熱平衡的溫度比0℃略低，約為-0.04℃左右，但是對熱電偶測溫的影響已可忽略。可是在實(shí)際的檢定過程中,由于短型熱電偶特殊的長度,結(jié)合各檢定單位檢定爐的實(shí)際情況，方法一無法作為一種常規(guī)檢驗(yàn)短型熱電偶的方法。比較被檢熱電偶的原始檢定結(jié)果，從數(shù)據(jù)的接近程度看依次是:
鋅點(diǎn):方法一>方法二>方法三>方法四;
鋁點(diǎn):方法一=方法二>方法四>方法三;
銅點(diǎn):方法一=方法二>方法三>方法四。
　　考慮到S型熱電偶的運(yùn)行性校驗(yàn)和穩(wěn)定性考核等重要指標(biāo)均選取在銅點(diǎn)進(jìn)行，所以綜合排序以銅點(diǎn)為主要指標(biāo)，再結(jié)合考慮另外2個(gè)溫度固定點(diǎn)的指標(biāo),筆者認(rèn)為4種不同的冷端補(bǔ)償方法的準(zhǔn)確度從高到低依次應(yīng)為:
方法一>方法二>方法三>方法四。
　　4種方法之中準(zhǔn)確度最低的是用精密水銀溫度計(jì)進(jìn)行測量并修正的方法四。這是因?yàn)榕c方法二和方法三相比較，此種方法中被檢短型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(shí)檢定爐周圍空氣的溫度受檢定爐加熱狀態(tài)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(dòng)，而且檢定爐設(shè)定的溫度的升高，由這個(gè)影響量引入的測量誤差也越來越大。這一點(diǎn)從方法四與方法一的數(shù)據(jù)比對可以驗(yàn)證，對3個(gè)固定點(diǎn)上的兩組檢定結(jié)果的差值分別為0.3℃鋅點(diǎn)).0.3℃鋁點(diǎn))和0.7℃銅點(diǎn))，即隨著檢定點(diǎn)溫度的逐漸升高，檢定結(jié)果的偏差也隨之加大。此外此方法還包含精密水銀溫度計(jì)的修正值引入的誤差和檢定員對溫度計(jì)估讀所引入的誤差，所以準(zhǔn)確性最差。
　　同理,方法三的測量準(zhǔn)確度居中的原因也是因?yàn)槭褂醚a(bǔ)償導(dǎo)線延伸了被檢短型熱電偶的長度，使被檢短型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(bǔ)償導(dǎo)線的使用。此外,補(bǔ)償導(dǎo)線的誤差一般包括2種，一種是由于補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電特性與所配用的熱電偶不一致造成的，這點(diǎn)可以通過常補(bǔ)償導(dǎo)線的修正值使用來消除;另一種是因補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶參考端的兩接點(diǎn)溫度不一致造成的，在檢定過程中應(yīng)該絕對避免，要保證其連接處兩接點(diǎn)溫度相同。
3結(jié)論
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果印證了JJG668-97“參考端不能直接置入?yún)⒖级撕銣仄鞯亩绦蜔犭娕?其參考端應(yīng)用達(dá)到一等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶準(zhǔn)確度水平的同極性熱電偶絲延伸至參考端恒溫器”之規(guī)定。因?yàn)楫?dāng)被檢短型熱電偶的參考端溫度不能置于參考端恒溫器時(shí)，這種方法能獲得較為理想的補(bǔ)償效果。