熱電偶參比端溫度的處理及誤差

摘要:熱電偶是一種熱電型的溫度傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、測量方便等優(yōu)點，在溫度測量中得到廣泛地應(yīng)用。測溫過程中,熱電偶的熱電勢不僅與工作端的溫度有關(guān)且與參比端的溫度有關(guān)，要使熱電勢所測量溫.度呈單值函數(shù)關(guān)系,參比端溫度應(yīng)為零,因此必須對參比端的溫度進(jìn)行補(bǔ)償,以降低測量誤差。本文就現(xiàn)實中常用的參比端溫度的處理及誤差略加分析。
　　熱電偶是溫度測量中應(yīng)用最廣泛的溫度器件,熱電偶閉合回路的總電勢EAB=f(t)-f(t0)。因此,只有當(dāng)參比端溫度t0恒定時，其總電勢才是測量端溫度的單值函數(shù);從另一個角度看,只有在參比端溫度t0已知的前提下測得總電勢EAB才能求得測量端溫度t0因此，必須對參比端溫度加以處理,使之達(dá)到恒定、已知。熱電偶分度表中的數(shù)值是以t0=0℃,f(0℃)=0為基礎(chǔ)給出的。在熱電偶測溫或檢定中,其熱電勢都要以分度表為準(zhǔn)。但實際使用時參比端所處溫度往往不是0℃,其參比端熱電勢并不為零。因此必須補(bǔ)償與參比端熱電勢數(shù)值相同的電勢,才能得到測量端的實際熱電勢。我們把這種處理稱為參比端溫度補(bǔ)償。在工業(yè)測溫和熱電偶檢定中，參比端溫度處理的方法有多種,本文對現(xiàn)實中常用的幾種略加分析。
1工業(yè)測溫中的測溫補(bǔ)償
1.1室溫補(bǔ)償?shù)囊饬x
　　在工業(yè)測溫中，熱電偶參比端溫度補(bǔ)償一般由顯示儀表完成，顯示儀表只能根據(jù)自身的測溫元件測量室溫,補(bǔ)償一定分度號在室溫的熱電勢。因此這種處理也成為室溫補(bǔ)償。工業(yè)測溫現(xiàn)場一般都遠(yuǎn)離顯示儀表，而熱電偶又不可能做得很長，所以必須用導(dǎo)線把熱電偶和顯示儀表連接用以傳輸信號。如果用普通銅線，則熱電偶的參比端就在熱電偶的接線盒處，此處的溫度一般都與顯示儀表所處的室溫不同，而顯示儀表只能根據(jù)自身所處的室溫進(jìn)行補(bǔ)償，因此顯示的溫度就必然存在誤差(鉑銠30-鉑銠6除外),這個誤差就等于導(dǎo)線兩端的溫度差。若使用在一定范圍內(nèi)與熱電偶有相同熱電性能的補(bǔ)償導(dǎo)線，就相當(dāng)于把熱電偶延伸到顯示儀表的接線端子處，即將熱電偶的參比端從接線盒處移到顯示儀表的接線端子處，以獲得正確的室溫補(bǔ)償。
1.2補(bǔ)償導(dǎo)線的連接
1.2.1接線正確時
　　補(bǔ)償導(dǎo)線若無差錯，則可看成是熱電偶絲的延伸，顯然不會引起附加誤差,但這只是理想狀態(tài)。.若考慮補(bǔ)償導(dǎo)線的誤差，可按圖1分析:
 
　　假設(shè)在補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶絲之間接入一段純鉑絲并使其兩端均在溫度t1下(根據(jù)中間金屬材料定律,總電勢不變)，則在此處形成了四對熱電偶，其熱電勢分別為E11、E12、E13、E14。
　　設(shè)熱電偶測量端熱電勢為E,理想?yún)⒈榷?t0)熱電勢為E0，總輸出熱電勢為EAB,熱電偶實際參比端(的熱電勢為E,補(bǔ)償導(dǎo)線在溫度t1的熱電勢為E'1補(bǔ)償導(dǎo)線在溫度t0的熱電勢為E'0，補(bǔ)償導(dǎo)線在溫度t1、t0的誤差分別為△1、△0則有:
 
　　可以看出,式(2)等號右邊前兩項是理論輸出值，后兩項是補(bǔ)償導(dǎo)線引起的誤差。因此導(dǎo)線在溫度t1.t0的誤差是相減的,所以若兩者的符號相同且數(shù)值接近，則引起的附加誤差較小;若二者的符號不同，則引起的附加誤差較大。
1.2.2接線不正確時
　　在補(bǔ)償導(dǎo)線極性接反的情況下，圖1中的E12、E14、和E0,的符號反過來,于是式(1)變成:
 
　　比較式(5)和式(2)可以看出，由補(bǔ)償導(dǎo)線極性接反引起的附加誤差是2(E0'-E0'1)左右，即補(bǔ)償導(dǎo)線兩端溫度差值的兩倍左右，也可以說是使用普通銅線時誤差的兩倍左右。例如，接線盒處溫度為10℃,顯示儀表在20℃的室內(nèi),溫度差10℃,那么顯示溫度就比實際溫度高20℃左右;若顯示儀表所處的室溫比接線盒溫度低10℃，那么顯示溫度就比實際溫度低20℃左右。這種誤差是隨著環(huán)境溫度和參比端溫度的變化而變化的。
2熱電偶自動檢定系統(tǒng)中的參比端溫度處理
2.1冰點法
　　檢定熱電偶傳統(tǒng)的方法是冰點法，即將熱電偶的參比端接測試連接線后置于冰點槽(0℃)中進(jìn)行測量。這種方法不需參比端溫度補(bǔ)償，其測量誤差是冰點槽中的溫場不均勻引起的，一般不超過0.1℃,是容易做到的。
2.2補(bǔ)償導(dǎo)線法
　　在用自動檢定系統(tǒng)檢定熱電偶時，有時需要在熱電偶的參比端接一段補(bǔ)償導(dǎo)線，然后將補(bǔ)償導(dǎo)線的另一端接測試連線并置于冰點槽中，這實際上是將被檢熱電偶的參比端移至冰點槽中。如1.2.1所述，由此帶來的誤差是補(bǔ)償導(dǎo)線在其兩端所處溫度的誤差的差值,亦即補(bǔ)償導(dǎo)線在其室溫下的誤差。雖然可選用精度高的補(bǔ)償導(dǎo)線并測得其在某一溫度的實際誤差，對測量結(jié)果加以修正,但因室溫是變化的，所以其修正值并非完全適合,所以還會存在誤差。檢定規(guī)程JJC351-96中規(guī)定,補(bǔ)償導(dǎo)線可以用于二級廉金屬熱電偶的檢:定,是由于其精度不高，上述誤差對檢定結(jié)果的影響相對較小。一級熱電偶則不能用補(bǔ)償導(dǎo)線法檢定。
2..3鉑熱電偶補(bǔ)償法
　　另一種方法是將一個參比端溫度補(bǔ)償器一鉑熱電阻置于被檢熱電偶的參比端處，用以測量此處的溫度,然后在測量系統(tǒng)中通過計算得出參比端熱電勢,在測量數(shù)據(jù)中加以補(bǔ)償。
　　理想狀態(tài)下,這種方法是沒有問題的,但實際，上它存在一系列產(chǎn)生誤差的因素，以下稍加分析。
2.3.1分度表
　　自動檢定裝置的軟件中，是按某一分度表來計算鉑熱電阻的溫度的，然而用作溫度補(bǔ)償器的鉑熱電阻測溫元件的R(0℃)和a值總存在一定的偏差,即使精心挑選也在所難免。這就勢必對檢定結(jié)果帶來一定的附加誤差。
2.3.2自熱影響
　　鉑熱電阻測溫時要通過一定的工作電流，這就會使它自身發(fā)熱而溫度升高，而溫度升高又使它的電阻值增大，直到其自身發(fā)熱和向周圍散熱達(dá)到平衡為止。.這就是自熱溫升現(xiàn)象。由于自熱影響,鉑熱電阻反應(yīng)的溫度與所處的室溫有一定的偏差。因此,即使熱電偶參比端的溫度等于室溫，根據(jù)鉑熱電阻測得的溫度進(jìn)行補(bǔ)償，也會對檢定結(jié)果帶來一定的附加誤差。另外,雖然鉑熱電阻的工作電流是恒定的,但鉑熱電阻的體積、材料、結(jié)構(gòu)等不盡相同,所以不同的鉑熱電阻自熱影響不同。因此,自熱影響常來的誤差很難在自動檢定系統(tǒng)的軟件中加以修正。
2.3.3熱響應(yīng)時間的影響
　　因為鉑熱電阻測溫元件與熱電偶參比端的熱響應(yīng)時間不同,所以即使將他們放得十分接近,它們也難以對環(huán)境的變化作出同步反應(yīng)。而自動檢定系統(tǒng)卻只是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的電勢來判斷是否達(dá)到檢定的恒溫要求。這就使檢定時鉑熱電阻測得的溫度不等于熱電偶參比端的溫度。在這種情況下依據(jù)鉑熱電阻測得的溫度進(jìn)行參比端溫度補(bǔ)償,也會帶來一定的動態(tài)誤差。
2.3.4熱傳導(dǎo)影響
　　在檢定時,熱電偶測量端溫度較高，因此必然影響參比端傳熱,使參比端溫度升高，尤其是鎧裝熱電偶或較短的熱電偶，這種現(xiàn)象更為嚴(yán)重。這就使熱電偶的參比溫度高于環(huán)境溫度。即使將鉑熱電阻和熱電偶的參比端綁扎在一起,這種熱傳導(dǎo)也存在溫度梯度。這也是鉑熱電阻不能真正反應(yīng)熱電偶的參比溫度，從而使溫度補(bǔ)償時產(chǎn)生附加誤差的一個因素。
3結(jié)束語
　　綜上所述，熱電偶參比端的溫度的處理是一個比較復(fù)雜的問題。要保證熱電偶測溫或檢定的正確性,必須注意:
(1)將熱電偶的參比端置于冰點槽(0℃)中，即冰點法,是最正確、最可靠的方法;
(2)選用正確率度高的補(bǔ)償導(dǎo)線;
(3)正確接線,即補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶的正負(fù)極相對應(yīng);
(4)自動檢定系統(tǒng)中采用室溫補(bǔ)償法(不管采用補(bǔ)償導(dǎo)線還是熱電阻),將會給檢定結(jié)果帶來一定的附加誤差，其大小取決于多種因素。若由此引起爭議，應(yīng)以冰點的檢定結(jié)果為準(zhǔn)。