檢定S型短型熱電偶的4種不同冷端補償方法

摘要:檢定長度在200~700mm范圍內的S型熱電偶時，由于參考端溫度大都處于室溫或者波.動的溫場之中，需要將參考端溫度恒定在0℃或采取修正、補償等措施進行修正。現采取檢定中最常用的4種不同的冷端補償方法檢定同一支S型短型熱電偶,對結果進行比較分析，得到這4種不同的冷端補償方法的優劣性及其準確度排序。結果表明，“將參考端應用達到一等標準熱電偶準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償效果。
　　根據我國JJG668-97《工作用鉑銠10-鉑、鉑.銠13-鉑短型熱電偶》檢定規程規定: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，在檢定的時候通常難以達到“將標準熱電偶和被檢短型熱電偶的參考端同時置于參考端恒溫器內”的要求,但是在計算過程中,必須將參考端溫度不為0℃的熱電動勢修正到參考端溫度為0℃的熱電動勢帶入公式才能得到正確的計算結果。
1實驗方法
　　筆者將一支長度為1000mm的S型II級工業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量院檢定，檢定結果見表1,取2次檢定結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的一等標準進行檢定。采用實驗室中常用的4種不同的冷端補償方法，對檢定結果分別進行計算并比較，實驗溫度恒定為20C，濕度恒定為50%。
 
1.1冷端補償方法一
　　將標準熱電偶與被檢短型熱電偶的參考端同時置于參考端恒溫器內。采用此種方法進行檢定時，標準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冷端補償方法二
　　將標準熱電偶的參考端置于參考端恒溫器內，被檢短型熱電偶的參考端用達到一等標準鉑銠10-鉑熱電偶準確度水平的同極性熱電偶絲延伸至參考端恒溫器內。采用此種方法進行檢定時，標準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到一等標準鉑銠10-鉑熱電偶準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，捆扎圖數為5圈。
1.3冷端補償方法三
　　將標準熱電偶的參考端置于參考端恒溫器內，被檢短型熱電偶的參考端運用補償導線將其延伸至參考端恒溫器內。采用此種方法進行檢定時，標準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型補償導線按照相同極性進行連接，將其延伸至充滿冰水混合物的保溫瓶中，并提前對補償導線引入的誤差進行修正。
1.4冷端補償方法四
　　將標準熱電偶的參考端置于參考端恒溫器內，被檢短型熱電偶的參考端用精密水銀溫度計進行測量并修正。采用此種方法進行檢定時,標準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檢定合格的精密水銀溫度計進行測量，同時需要對精密水銀溫度計引入的誤差進行修正。
2結果與討論
　　采用4種不同的冷端補償方法進行檢定，得到鋅、鋁及鋼的3個固定點溫度的實驗數據如表2~5所示。
　　據檢定規程,S型熱電偶分度表中鋅、鋁及銅3個固定點溫度的熱電動勢分別為3.447.5.860和10.575mV;其與鋅、鋁及銅3個固定點溫度相對應的微分熱電動勢值分別為9.64、10.40和11.80μV/C。則各個固定點的示值誤差分別計算如下:
 
　　式中，`E<sub>t被</sub>檢定熱電偶讀數平均值，Et標--標準熱電偶證書值,`E_t標一標準熱電偶讀數平均值,E1分一分度點熱電動勢值,St一分度點微分熱電動勢值。
 
 
 
　　需要注意的是:示值誤差計算公式中的熱電動勢要求帶入的是參考端溫度為0℃的數值，而方法四得到的被檢熱電偶的讀數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℃才能帶入公式計算，否則計算結果會產生錯誤。中間溫度定律指出:如果A與A',B與B’的材料相同，且接點溫度都是T,Tn,T0時，則
EABr,T,,T)=EAB(",T,)+EAR(,T)(4)
　　在實驗中得到被檢熱電偶的讀數平均值其實是EAB(T,Tn)，但通過經檢定合格的精密水銀溫度計能夠準確地測量出熱電偶的實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)的數值，統統帶入式(4)便可得到被檢熱電偶在參考端溫度為0℃時的熱電勢修正值,即:
EAB(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn，T0)
　　由此得E在3個固定點溫度的修正值如下:
 
　　采用4種不同的冷端補償方法檢定S型短型熱電偶的結果與被檢偶的原始檢定結果比較見表6。
 
　　從理論上,講方法一的檢定結果準確程度最高，因為在一個標準大氣壓下，冰和純水的平衡溫度為0℃，雖然實驗室中用清沽的水和冰屑相混合放在保溫瓶中達到熱平衡的溫度比0℃略低，約為-0.04℃左右，但是對熱電偶測溫的影響已可忽略。可是在實際的檢定過程中,由于短型熱電偶特殊的長度,結合各檢定單位檢定爐的實際情況，方法一無法作為一種常規檢驗短型熱電偶的方法。比較被檢熱電偶的原始檢定結果，從數據的接近程度看依次是:
鋅點:方法一>方法二>方法三>方法四;
鋁點:方法一=方法二>方法四>方法三;
銅點:方法一=方法二>方法三>方法四。
　　考慮到S型熱電偶的運行性校驗和穩定性考核等重要指標均選取在銅點進行，所以綜合排序以銅點為主要指標，再結合考慮另外2個溫度固定點的指標,筆者認為4種不同的冷端補償方法的準確度從高到低依次應為:
方法一>方法二>方法三>方法四。
　　4種方法之中準確度最低的是用精密水銀溫度計進行測量并修正的方法四。這是因為與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，此時檢定爐周圍空氣的溫度受檢定爐加熱狀態的影響而變化，精密水銀溫度測量到的參考端溫度也會隨之波動，而且檢定爐設定的溫度的升高，由這個影響量引入的測量誤差也越來越大。這一點從方法四與方法一的數據比對可以驗證，對3個固定點上的兩組檢定結果的差值分別為0.3℃鋅點).0.3℃鋁點)和0.7℃銅點)，即隨著檢定點溫度的逐漸升高，檢定結果的偏差也隨之加大。此外此方法還包含精密水銀溫度計的修正值引入的誤差和檢定員對溫度計估讀所引入的誤差，所以準確性最差。
　　同理,方法三的測量準確度居中的原因也是因為使用補償導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;主要測量誤差是補償導線的使用。此外,補償導線的誤差一般包括2種，一種是由于補償導線的熱電特性與所配用的熱電偶不一致造成的，這點可以通過常補償導線的修正值使用來消除;另一種是因補償導線與熱電偶參考端的兩接點溫度不一致造成的，在檢定過程中應該絕對避免，要保證其連接處兩接點溫度相同。
3結論
　　實驗結果印證了JJG668-97“參考端不能直接置入參考端恒溫器的短型熱電偶,其參考端應用達到一等標準熱電偶準確度水平的同極性熱電偶絲延伸至參考端恒溫器”之規定。因為當被檢短型熱電偶的參考端溫度不能置于參考端恒溫器時，這種方法能獲得較為理想的補償效果。