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热电偶自动检定系统常见问题的探讨

来源:www.designsbykn.com作者:发表时间:2020-11-03 16:36:12

 摘 要: 热电偶作为一种普遍使用的温度传感器,在各种工业测温场所中被广泛使用。为了使热电偶在测温过程中能够准确测量温度,要对热电偶进行检定和校准。现目前采用热电偶自动检定系统进行热电偶的检定和校准。在检定过程中,很多因素都会影响检定结果的准确性,如热电偶自身的原因、检定系统及其环境、不确定度分析等。基于热电偶自动检定系统的原理,对上述原因进行了整理,简单分析热电偶进行检定或校准时的常见问题及解决方法,以实现对热电偶更加精准的温度计量,减小在量值传递中的误差影响。

 
引言
在各种工业测温场所中,热电偶是一种普遍使用的温度传感器。热电偶根据塞贝克热电效应的原理( 图 1) 进行温度测量,即由 2 种不同成分的均质导体组成一个闭合回路,当回路的 2 端处于不同温度场时,回路即会产生热电势,并有电流通过。热电偶在制造企业生产完成出厂时、在使用单位首次使用时都要对其进行检定; 在使用过程中,由于热电偶的电极受到高温氧化、变 形、腐蚀等原因的影响,会导致其老化变质及特性改变,造成测温误差增大,所以还要对热电偶进行周期性检定。因此,热电偶的检定和校准,对于保证热电偶在使用过程中能够准确地测量温度起着很大的作用。
 
目前,大量的热电偶制造、检定、使用企业都配置了热电偶自动检定系统,随着计算机技术和智能仪表的发展,热电偶的检定系统有了很大的发展,因此,对其使用中的常见问题及相关具体细节进行了探讨。
热电偶热电效应原理图
1、热电偶自动检定系统的原理及构成
1. 1 检定系统的原理
检定系统的主要组成如图 2 所示,整套系统以计算机系统为核心,通过检定软件执行各项指令,通过 RS- 232 串行通讯技术对相关设备进行过程控制,实现热电偶检定系统的自动工作,包括升温、恒温过程控制、数据扫描采集、数据处理等各个环节。
热电偶检定系统框图
热电偶的检定通常采用比较测温法,其工作过程大致由控温、数据采集及数据处理过程几个部分构成。将被检热电偶和标准热电偶捆扎好后放入检定炉中,然后进行升温保温,达到稳定且符合测量要求后,数字多用表通过低压电势扫描器/控制器读取标准热电偶和被检热电偶的热电势值,通过计算机系统计算误差值完成检定[1]。
 
低压电势扫描器/控制器在检定系统中,读取标准和被检的数据,采用标准—被检 1—被检 2—…—被检N—被检 N—…—被 检 2—被 检 1 的 顺 序 读 取 数 据 2 次[2],在一定程度上消除了读取过程中温度变化产生的影响,同时读取标准和被检的数据就可以极大地消除上述误差影响,并提高了效率。 
 
1. 2 检定系统的构成
( 1) 热电偶自动检定系统由热电偶检定炉,低电势扫描器/控制器,热电偶接线台,7 位半数字多功能多用表,计算机,标准热电偶( 二等标准铂铑 10-铂热电偶) ,参考端温度传感器( Pt100) 等硬件构成。 
( 2) 热电偶自动检定系统软件在计算机 Windows 操作系统下运行,执行 JF1637-2017《廉金属热电偶校准规范》,采用双极法检定热电偶。计算机按设定温度点自动控制检定炉,由低温向高温逐点升温进行检定,当检定炉温度升至检定点温度( 偏离检定点温度<±5 ℃,炉温变化小于 0. 2 ℃ /min) 时,依次扫描、读取标准偶和各被检热电偶的热电动势值,在读取 4 次循环后结束取数,程序控制加热进入下个检定点,直到完成最高温度点检定。软件自动根据采集的数据计算热电偶示值误差,依据标准判别结果,生成检定记录、检定证书等。 
 
2 检定过程中的常见问题及解决方法
2. 1 热电偶自身原因引起的检定误差
2. 1. 1 长度不足的影响
JF1637-2017《廉金属热电偶校准规范》中,对于被检热电偶长度做出了明确的规定,要求热电偶长度不小于 500 mm。规范之所以对长度做出明确规定,一方面是要热电偶在离开测温区之后要有足够宽的温度梯度区间以产生电动势,另一方面则为了有效地阻止热量从热电偶测量端传到接线端[3]。通常,由于热电偶长度不够引起的误差为负值,且长度越短,引起的误差也越大。 
 
2. 1. 2 偶丝弯曲的影响
热电偶丝由于材质特性的原因,极易发生弯曲变形。当电偶丝发生扭曲、折叠等塑性形变时,电偶丝产生应力,其热电特性随之发生改变,从而导致测量结果受到影响[5]。因此,应保证被检的热电偶丝平直。 
 
2. 1. 3 响应时间的影响
为保证在检定过程中,测温元件要与被测对象达到热平衡。因此在测温时需要保持一定时间,使二者达到热平衡。测温元件的热响应时间将直接影响保持时间,而传感器的热响应时间主要由其结构及测量条件决定,响应时间越短,误差越小。所以在检定过程中应当根据不同类型的热电偶选择匹配的升温速率及热平衡时间。并且保证在各个温度点校准热电偶时,所使用的恒温设备的技术指标要符合规范要求,见表 1 所示。
检定时恒温设备技术指标
2. 1. 4 绝缘电阻的影响
热电偶的绝缘阻值在高温环境下会随温度升高而急剧减小,从而产生漏电电流。该电流可能会通过电阻性能下降的绝缘物质进入仪表,从而影响仪表指示或产生测量误差。所以在检定时不能忽视热电偶其绝缘电阻的测试,只有当电阻值满足检定规程要求时才能进行相关温度的允差检定。 
 
2. 2 检定系统外部环境引起检定系统的误差
( 1) 为保证检定环境的稳定,检定系统的电测设备和恒温设备应该隔离摆放。电测设备工作的环境温度及相对湿度应符合规范要求,恒温设备工作的环境应无影响校准的气流扰动及电磁场干扰。
 ( 2) 由于电测设备( 计算机、低电势扫描开关、数字多用表等) 与恒温设备( 检定炉,恒温器等) 设备处于不同实验室,实验室两端设备不共地,通信设备有可能受电源地线回路和浪涌的干扰和损坏,导致检定系统的不稳定。为保证系统稳定,可于电脑与系统中间加装 RS- 232 串行口光电隔离器,完全隔离两端 RS-232 设备的电气与地线回路,通过将一侧的电信号变成光信号以后传到另一方后,再变回到电信号的方式,提高了通信系统的可靠性与稳定性[10]。
 
 2. 3 均温块的使用
JF1637-2017《廉金属热电偶校准规范》中,对热电偶检定炉的轴向及径向 2 个方向的温场都给出了明确的要求。其使用目的是为了更好地保证热电偶在检定时的温场一致性。通过对同一台管式炉进行 1 000 ℃时轴向温场和径向温场的测试,对比在置入均温块后同一温场的温度均匀性,见表 2 所示。
均温块使用前后温度场测试结果
从温场测试结果可以看出,在使用均温块时,轴向温度场温度差为 0. 3 ℃,而未使用均温块时轴向的温度场温度差为 1. 0 ℃。因此,当热电偶捆扎成束,装入检定炉后,会对炉温均匀性产生影响,而均温块的使用可大幅减小热电偶对炉温温场均匀性的影响。
热电偶检定炉在使用均温块后,应注意下列问题: 
( 1) 使用均温块的前提条件是要保证热电偶检定炉本身已具备有合格的温场,因此,不能单方面的重视均温块的作用,却忽略检定炉自身温场的重要性; 
( 2) 使用均温块进行热电偶检定时,操作人员应当对热电偶的插入深度做出标记,当热电偶位置偏出时,应能及时发现并调整[14]; 
( 3) 使用均温块后,检定炉温场可能会出现长时间达不到稳定状态的情况,从而引起系统不能正确的读数。导致该现象的主要原因,是原检定系统在设置 PID参数时,按照未使用均温块的状态进行设置,并完成调试,运转正常。当使用均温块后,增加了炉内负载,原设定的 PID 参数无法适用,导致检定炉温场无法稳定。所 以,若是实验室配置多台检定炉,可分别将安装了均温块和未安装均温块的检定炉采用不同的 PID 控制参数,优化控温指标。若实验室仅配置一台检定炉,则应分别设置存储 2 套针对均温块使用与否的 PID 参数,在实际使用过程中根据情况调用不同的参数[11-13]。 
 
2. 4 不确定度分析
通过查阅 JF1637-2017《廉金属热电偶校准规范》,在其提供的附录中,提出了如何评定 K 型热电偶电动势与温度显示值偏差测量的不确定度的范例方法。在评定时,先使用二等标准铂热电阻作为标准器,在 300 ℃时校准-支 K 分度热电偶; 再使用二等标准( 铂铑 10 - 铂) 热电偶作为标准器,在 400 ℃ 时校准该 K 分度热电偶。通过分析测量结果对其进行不确定度分析。
 
通过分析可知,不确定度分量主要来源有: 测试仪器的引入分量、重复性是引入分量、检定炉内温场不均匀的引入分量、检定炉控温波动的引入分量、低电势扫描开关寄生电势的引入分量、被测热电偶参考端温度的引入分量、检定标准器的引入分量等。这些引入分量之间为相互独立且互不相关的关系[15]。
 
将得到的扩展不确定度进行分析总结( 见表 3) ,可以得出结论。在热电偶检定校准的温度点上,若是被测热电偶允许误差大于测量结果的不确定度的 3 倍值,则该次测量满足要求。
测量结果不确定度与允许误差比较
 总结
对热电偶及热电偶自动检定系统的原理及使用进行了简要的阐述。介绍了热电偶自动检定系统的组成结构,同时也列举了在热电偶测量检定的过程中需要注意的相关问题。为实现热电偶更加精准地检定及校准,对减小量值传递过程中的误差影响有一定的意义。
 
综上所述,在热电偶的检定过程中,应严格遵循相关的检定规程,同时强化操作人员的规范化操作,最大可能的减小或者消除各种误差来源,才能得到精确测温的热电偶。为工业生产、科学实验提供稳定可靠的温度测量数据。