熱電偶校準(zhǔn)參考端溫度的合理選擇

一、規(guī)程對(duì)參考端溫度的規(guī)定
       對(duì)儀器示值的檢定或校準(zhǔn)，是將儀器與一個(gè)精度高的標(biāo)準(zhǔn)直接或間接的比較過程。儀器的示值特性可以描述為
y=ƒ(x1,x2,....,xn)
式中:y----輸出值;x1....,Xn--明顯影響輸出值的輸入?yún)?shù)。
       作為評(píng)價(jià)儀器合格與否的檢定工作，必須對(duì)x1，....,xn所有輸入?yún)?shù)在標(biāo)稱工作范圍內(nèi)的有效組合下進(jìn)行測(cè)量,才能評(píng)價(jià)儀器是否合格或超差。如果對(duì)每個(gè)輸入?yún)?shù)xi取ki個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，則總共.有k1,k2......,kn個(gè)輸入?yún)?shù)的組合，顯然多元輸入?yún)?shù)儀器的檢測(cè)工作量是很大的,減小ki值或?qū)σ恍┹斎雲(yún)?shù)取固定值,可以簡(jiǎn)化檢測(cè)工作，但同時(shí)也會(huì)帶來評(píng)價(jià)不全面的問題。
       在不考慮不均勻電勢(shì)等因素影響的情況下，理想熱電偶的熱電勢(shì)e是其兩端溫度的二元函數(shù),即e=ƒ(t,tr)。式中,t和tr分別是測(cè)量端溫度和參考端溫度。顯然,只，有在tr確定的情況下,e和t才有確定的關(guān)系,才便于測(cè)量溫度。另外,熱電偶的示值誤差是以分度表的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)的,而分度表(或其多項(xiàng)式)的參考端為0℃,故現(xiàn)行熱電偶檢定規(guī)程均規(guī)定,檢定時(shí)參考端溫度為0℃(B偶要求可較寬)。若實(shí)際使用的熱電偶參考端不是0℃就需要對(duì)參考端溫度t,進(jìn)行修正或補(bǔ)償。
二、借用中間溫度定律補(bǔ)償存在的問題
       圖1~圖5是參考端溫度的幾種不同補(bǔ)償方式(其中,補(bǔ)償導(dǎo)線的影響與本文內(nèi)容無關(guān)，看做是熱電偶的一部分，省略沒畫出)。
       圖1使用了0℃恒溫器，其參考端溫度為0℃,所測(cè)量的熱電勢(shì)不需要修正,但采用0℃恒溫器成本太高且不方便，只有在檢定和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室以及少數(shù)實(shí)際使用場(chǎng)合下才采用這種補(bǔ)償。

       圖2~圖5沒有使用0℃恒溫器，其中圖2是手動(dòng)補(bǔ)償,圖3~圖5是自動(dòng)補(bǔ)償,如今的溫度儀表多采用圖5的補(bǔ)償方式。圖2~圖5本質(zhì)上都是將參考端放置在--個(gè)比較穩(wěn)定的溫度tr下進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?。通過查表、電路產(chǎn)生測(cè)量轉(zhuǎn)換，模擬出-段測(cè)量端溫度為tr參考端為0℃的熱電偶,和實(shí)際熱電偶串聯(lián),把實(shí)際熱電偶的參考端溫度從t,模擬到0℃,并“借用”中間溫度定律,測(cè)量出實(shí)際溫度t:
e(t,tr,0℃)=e(t,tr)+e(tr,0℃)(1)
       式中:e(t,tr,0℃)一儀表在顯示溫度之前所得到的總熱電勢(shì);e(t,tr)-熱電偶自身產(chǎn)生的熱電勢(shì);e(tr,0℃)-補(bǔ)償產(chǎn)生的電勢(shì)。e(tr,0℃)只與分度號(hào)及tr,有關(guān),與具體熱電偶特性無關(guān)，在不考慮tr,測(cè)量誤差和補(bǔ)償電路本身產(chǎn)生的誤差的情況下,e(tr,0℃)理論上等于溫度I,對(duì)應(yīng)的分度表電勢(shì)值，并沒有包括熱電偶在(tr,0℃)溫度段的實(shí)際誤差值即利用式(1)所進(jìn)行的補(bǔ)償,除非通過實(shí)際測(cè)量得到e(tr,0℃)值,否則用式(1)中間溫度定律只能是理想化的近似補(bǔ)償,這將導(dǎo)致檢測(cè)和實(shí)際使用兩種場(chǎng)合下的量值復(fù)現(xiàn)偏差。
三、不同參考端溫度下熱電偶量值復(fù)現(xiàn)偏差測(cè)量實(shí)例
       下面通過實(shí)際測(cè)量不同參考端溫度時(shí)的誤差，進(jìn)-步說明量值復(fù)現(xiàn)偏差。其中,參考端為0℃的誤差是按照規(guī)程測(cè)量得到的;參考端為23℃和50℃的誤差用于代表實(shí)際使用條件下的誤差，它根據(jù)式(1)中間溫度定律“補(bǔ)償”到0℃。
       為測(cè)量方便,被測(cè)熱電偶選用長(zhǎng)度為3m以上的聚四氟乙烯或不銹鋼鎧裝型熱電偶。不用溫場(chǎng)差的熱電偶檢定爐,測(cè)量端和參考端均用精密恒溫槽,恒溫槽指標(biāo)為:波動(dòng)度為0.003℃、均勻度為0.01℃;標(biāo)準(zhǔn)器用二等鉑電阻溫度計(jì);電測(cè)儀器為2182A數(shù)字納伏表,配用B365型低電勢(shì)轉(zhuǎn)換開關(guān)，實(shí)測(cè)B365寄生電勢(shì)小于0.2μV;熱電偶參考端和轉(zhuǎn)換開關(guān)的連接導(dǎo)線為全新純銅導(dǎo)線,其熱電勢(shì)實(shí)測(cè)小于0.005μV/℃。
       測(cè)量時(shí)，熱電偶測(cè)量端和一支標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻一起插入油槽,并始終保持固定不動(dòng)，參考端和另一支標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻一起插入低溫槽或水槽中，測(cè)量端和參考端插入深度均為30em。依次設(shè)置測(cè)量端溫度為100℃和200℃,參考端溫度為0℃、23℃C和50℃。對(duì)每一溫度點(diǎn)在恒溫時(shí)間大于1h后才開始測(cè)量。測(cè)量數(shù)據(jù)用計(jì)算機(jī)正確計(jì)算,包括恒溫槽溫度、補(bǔ)償電勢(shì)值溫度誤差值等。表1是許多測(cè)量中的其中-組I級(jí)KJ、E分度號(hào)熱電偶的測(cè)量結(jié)果。
       由表1可見,在相同測(cè)量端溫度下,參考端23℃和50℃的誤差相對(duì)于參考端09C誤差的偏差分別達(dá)到0.1℃~0.3℃和0.1℃~0.5℃。偏差值和具體的熱電偶有關(guān),有些熱電偶實(shí)測(cè)的偏差值比表1還要大。

四、校準(zhǔn)時(shí)參考端溫度的合理選擇
       通過以上分析和實(shí)際測(cè)量說明:檢測(cè)時(shí)和使用時(shí)參考端溫度不同,會(huì)產(chǎn)生量值復(fù)現(xiàn)偏差。檢定必須執(zhí)行檢定規(guī)程,參考端只能是0℃;校準(zhǔn)沒有法制性要求,方法可以比較靈活。如果能知道熱電偶實(shí)際使用時(shí)的參考端(平均)溫度,并選用此溫度作為校準(zhǔn)時(shí)的參考端溫度,則最能體現(xiàn)量值溯源的實(shí)際情況，減小量值復(fù)現(xiàn)偏差。
       但實(shí)際使用下的參考端溫度，校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)和用戶都難以知道。根據(jù)資料,全國(guó)主要城市的年平均氣溫都在0℃以上。故實(shí)際使用的工作用熱電偶，參考端處于平均室溫附近或更高溫度(熱電偶主要用于加熱設(shè)備)的機(jī)會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于處于0℃的機(jī)會(huì)。在難以知道實(shí)際使用的參考端溫度的情況下，選擇當(dāng)?shù)?平均)室溫附近的溫度(如23℃±59℃)作為校準(zhǔn)時(shí)的參考端溫度,總體校準(zhǔn)結(jié)果將比參考端在0℃下更為符合實(shí)際情況?；蛘哒f,對(duì)于熱電偶校準(zhǔn),參考端可以選擇-個(gè)溫度處于室溫附近的恒溫器,只要其溫場(chǎng)性能滿足要求,不一定要選擇0℃恒溫器。并且選擇室溫附近的恒溫器還有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)適用較粗、較短的熱電偶校準(zhǔn)。由于較粗、較短的熱電偶的參考端很難直接按規(guī)程要求插到冰點(diǎn)瓶中,與其用補(bǔ)償導(dǎo)線引到0℃恒溫器,不如用補(bǔ)償導(dǎo)線引到一個(gè)穩(wěn)定的室溫附近的恒溫器中，這樣補(bǔ)償導(dǎo)線兩端的溫差較小，由補(bǔ)償導(dǎo)線引入的誤差就比較小。
(2)室溫附近的恒溫器比較容易獲得。例如,用高導(dǎo)熱系數(shù)材料(如純鋁)容易制作-款室溫下溫場(chǎng)均勻度很高和穩(wěn)定度良好的恒溫器，可供校準(zhǔn)裝置使用,省去冰點(diǎn)瓶制冰、刨冰和維護(hù)的麻煩。
五.結(jié)束語(yǔ)
       現(xiàn)行熱電偶檢定規(guī)程要求檢定時(shí)參考端溫度為0℃,但實(shí)際使用時(shí)參考端溫度通常不是0℃,參考端溫度不同會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)和使用兩者的量值復(fù)現(xiàn)偏差。以熱電偶實(shí)際使用條件下的參考端溫度作為校準(zhǔn)時(shí)的參考端溫度是最為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪x擇。
       用實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度(如23℃±5C)作為校準(zhǔn)時(shí)參考端溫度,在通常情況下比用0℃更接近實(shí)際情況，也是一種合理選擇，不僅容易獲得校準(zhǔn)時(shí)的參考端恒溫器，還可以減小量值復(fù)現(xiàn)偏差,使校準(zhǔn)數(shù)據(jù)更具有實(shí)際意義。