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    熱電偶自動檢定系統常見問題的探討

    來源:www.jz82524.com作者:發表時間:2020-11-03 16:36:12

     摘 要: 熱電偶作為一種普遍使用的溫度傳感器,在各種工業測溫場所中被廣泛使用。為了使熱電偶在測溫過程中能夠準確測量溫度,要對熱電偶進行檢定和校準?,F目前采用熱電偶自動檢定系統進行熱電偶的檢定和校準。在檢定過程中,很多因素都會影響檢定結果的準確性,如熱電偶自身的原因、檢定系統及其環境、不確定度分析等?;跓犭娕甲詣訖z定系統的原理,對上述原因進行了整理,簡單分析熱電偶進行檢定或校準時的常見問題及解決方法,以實現對熱電偶更加精準的溫度計量,減小在量值傳遞中的誤差影響。

     
    引言
    在各種工業測溫場所中,熱電偶是一種普遍使用的溫度傳感器。熱電偶根據塞貝克熱電效應的原理( 圖 1) 進行溫度測量,即由 2 種不同成分的均質導體組成一個閉合回路,當回路的 2 端處于不同溫度場時,回路即會產生熱電勢,并有電流通過。熱電偶在制造企業生產完成出廠時、在使用單位首次使用時都要對其進行檢定; 在使用過程中,由于熱電偶的電極受到高溫氧化、變 形、腐蝕等原因的影響,會導致其老化變質及特性改變,造成測溫誤差增大,所以還要對熱電偶進行周期性檢定。因此,熱電偶的檢定和校準,對于保證熱電偶在使用過程中能夠準確地測量溫度起著很大的作用。
     
    目前,大量的熱電偶制造、檢定、使用企業都配置了熱電偶自動檢定系統,隨著計算機技術和智能儀表的發展,熱電偶的檢定系統有了很大的發展,因此,對其使用中的常見問題及相關具體細節進行了探討。
    熱電偶熱電效應原理圖
    1、熱電偶自動檢定系統的原理及構成
    1. 1 檢定系統的原理
    檢定系統的主要組成如圖 2 所示,整套系統以計算機系統為核心,通過檢定軟件執行各項指令,通過 RS- 232 串行通訊技術對相關設備進行過程控制,實現熱電偶檢定系統的自動工作,包括升溫、恒溫過程控制、數據掃描采集、數據處理等各個環節。
    熱電偶檢定系統框圖
    熱電偶的檢定通常采用比較測溫法,其工作過程大致由控溫、數據采集及數據處理過程幾個部分構成。將被檢熱電偶和標準熱電偶捆扎好后放入檢定爐中,然后進行升溫保溫,達到穩定且符合測量要求后,數字多用表通過低壓電勢掃描器/控制器讀取標準熱電偶和被檢熱電偶的熱電勢值,通過計算機系統計算誤差值完成檢定[1]。
     
    低壓電勢掃描器/控制器在檢定系統中,讀取標準和被檢的數據,采用標準—被檢 1—被檢 2—…—被檢N—被檢 N—…—被 檢 2—被 檢 1 的 順 序 讀 取 數 據 2 次[2],在一定程度上消除了讀取過程中溫度變化產生的影響,同時讀取標準和被檢的數據就可以極大地消除上述誤差影響,并提高了效率。 
     
    1. 2 檢定系統的構成
    ( 1) 熱電偶自動檢定系統由熱電偶檢定爐,低電勢掃描器/控制器,熱電偶接線臺,7 位半數字多功能多用表,計算機,標準熱電偶( 二等標準鉑銠 10-鉑熱電偶) ,參考端溫度傳感器( Pt100) 等硬件構成。 
    ( 2) 熱電偶自動檢定系統軟件在計算機 Windows 操作系統下運行,執行 JF1637-2017《廉金屬熱電偶校準規范》,采用雙極法檢定熱電偶。計算機按設定溫度點自動控制檢定爐,由低溫向高溫逐點升溫進行檢定,當檢定爐溫度升至檢定點溫度( 偏離檢定點溫度<±5 ℃,爐溫變化小于 0. 2 ℃ /min) 時,依次掃描、讀取標準偶和各被檢熱電偶的熱電動勢值,在讀取 4 次循環后結束取數,程序控制加熱進入下個檢定點,直到完成最高溫度點檢定。軟件自動根據采集的數據計算熱電偶示值誤差,依據標準判別結果,生成檢定記錄、檢定證書等。 
     
    2 檢定過程中的常見問題及解決方法
    2. 1 熱電偶自身原因引起的檢定誤差
    2. 1. 1 長度不足的影響
    JF1637-2017《廉金屬熱電偶校準規范》中,對于被檢熱電偶長度做出了明確的規定,要求熱電偶長度不小于 500 mm。規范之所以對長度做出明確規定,一方面是要熱電偶在離開測溫區之后要有足夠寬的溫度梯度區間以產生電動勢,另一方面則為了有效地阻止熱量從熱電偶測量端傳到接線端[3]。通常,由于熱電偶長度不夠引起的誤差為負值,且長度越短,引起的誤差也越大。 
     
    2. 1. 2 偶絲彎曲的影響
    熱電偶絲由于材質特性的原因,極易發生彎曲變形。當電偶絲發生扭曲、折疊等塑性形變時,電偶絲產生應力,其熱電特性隨之發生改變,從而導致測量結果受到影響[5]。因此,應保證被檢的熱電偶絲平直。 
     
    2. 1. 3 響應時間的影響
    為保證在檢定過程中,測溫元件要與被測對象達到熱平衡。因此在測溫時需要保持一定時間,使二者達到熱平衡。測溫元件的熱響應時間將直接影響保持時間,而傳感器的熱響應時間主要由其結構及測量條件決定,響應時間越短,誤差越小。所以在檢定過程中應當根據不同類型的熱電偶選擇匹配的升溫速率及熱平衡時間。并且保證在各個溫度點校準熱電偶時,所使用的恒溫設備的技術指標要符合規范要求,見表 1 所示。
    檢定時恒溫設備技術指標
    2. 1. 4 絕緣電阻的影響
    熱電偶的絕緣阻值在高溫環境下會隨溫度升高而急劇減小,從而產生漏電電流。該電流可能會通過電阻性能下降的絕緣物質進入儀表,從而影響儀表指示或產生測量誤差。所以在檢定時不能忽視熱電偶其絕緣電阻的測試,只有當電阻值滿足檢定規程要求時才能進行相關溫度的允差檢定。 
     
    2. 2 檢定系統外部環境引起檢定系統的誤差
    ( 1) 為保證檢定環境的穩定,檢定系統的電測設備和恒溫設備應該隔離擺放。電測設備工作的環境溫度及相對濕度應符合規范要求,恒溫設備工作的環境應無影響校準的氣流擾動及電磁場干擾。
     ( 2) 由于電測設備( 計算機、低電勢掃描開關、數字多用表等) 與恒溫設備( 檢定爐,恒溫器等) 設備處于不同實驗室,實驗室兩端設備不共地,通信設備有可能受電源地線回路和浪涌的干擾和損壞,導致檢定系統的不穩定。為保證系統穩定,可于電腦與系統中間加裝 RS- 232 串行口光電隔離器,完全隔離兩端 RS-232 設備的電氣與地線回路,通過將一側的電信號變成光信號以后傳到另一方后,再變回到電信號的方式,提高了通信系統的可靠性與穩定性[10]。
     
     2. 3 均溫塊的使用
    JF1637-2017《廉金屬熱電偶校準規范》中,對熱電偶檢定爐的軸向及徑向 2 個方向的溫場都給出了明確的要求。其使用目的是為了更好地保證熱電偶在檢定時的溫場一致性。通過對同一臺管式爐進行 1 000 ℃時軸向溫場和徑向溫場的測試,對比在置入均溫塊后同一溫場的溫度均勻性,見表 2 所示。
    均溫塊使用前后溫度場測試結果
    從溫場測試結果可以看出,在使用均溫塊時,軸向溫度場溫度差為 0. 3 ℃,而未使用均溫塊時軸向的溫度場溫度差為 1. 0 ℃。因此,當熱電偶捆扎成束,裝入檢定爐后,會對爐溫均勻性產生影響,而均溫塊的使用可大幅減小熱電偶對爐溫溫場均勻性的影響。
    熱電偶檢定爐在使用均溫塊后,應注意下列問題: 
    ( 1) 使用均溫塊的前提條件是要保證熱電偶檢定爐本身已具備有合格的溫場,因此,不能單方面的重視均溫塊的作用,卻忽略檢定爐自身溫場的重要性; 
    ( 2) 使用均溫塊進行熱電偶檢定時,操作人員應當對熱電偶的插入深度做出標記,當熱電偶位置偏出時,應能及時發現并調整[14]; 
    ( 3) 使用均溫塊后,檢定爐溫場可能會出現長時間達不到穩定狀態的情況,從而引起系統不能正確的讀數。導致該現象的主要原因,是原檢定系統在設置 PID參數時,按照未使用均溫塊的狀態進行設置,并完成調試,運轉正常。當使用均溫塊后,增加了爐內負載,原設定的 PID 參數無法適用,導致檢定爐溫場無法穩定。所 以,若是實驗室配置多臺檢定爐,可分別將安裝了均溫塊和未安裝均溫塊的檢定爐采用不同的 PID 控制參數,優化控溫指標。若實驗室僅配置一臺檢定爐,則應分別設置存儲 2 套針對均溫塊使用與否的 PID 參數,在實際使用過程中根據情況調用不同的參數[11-13]。 
     
    2. 4 不確定度分析
    通過查閱 JF1637-2017《廉金屬熱電偶校準規范》,在其提供的附錄中,提出了如何評定 K 型熱電偶電動勢與溫度顯示值偏差測量的不確定度的范例方法。在評定時,先使用二等標準鉑熱電阻作為標準器,在 300 ℃時校準-支 K 分度熱電偶; 再使用二等標準( 鉑銠 10 - 鉑) 熱電偶作為標準器,在 400 ℃ 時校準該 K 分度熱電偶。通過分析測量結果對其進行不確定度分析。
     
    通過分析可知,不確定度分量主要來源有: 測試儀器的引入分量、重復性是引入分量、檢定爐內溫場不均勻的引入分量、檢定爐控溫波動的引入分量、低電勢掃描開關寄生電勢的引入分量、被測熱電偶參考端溫度的引入分量、檢定標準器的引入分量等。這些引入分量之間為相互獨立且互不相關的關系[15]。
     
    將得到的擴展不確定度進行分析總結( 見表 3) ,可以得出結論。在熱電偶檢定校準的溫度點上,若是被測熱電偶允許誤差大于測量結果的不確定度的 3 倍值,則該次測量滿足要求。
    測量結果不確定度與允許誤差比較
     總結
    對熱電偶及熱電偶自動檢定系統的原理及使用進行了簡要的闡述。介紹了熱電偶自動檢定系統的組成結構,同時也列舉了在熱電偶測量檢定的過程中需要注意的相關問題。為實現熱電偶更加精準地檢定及校準,對減小量值傳遞過程中的誤差影響有一定的意義。
     
    綜上所述,在熱電偶的檢定過程中,應嚴格遵循相關的檢定規程,同時強化操作人員的規范化操作,最大可能的減小或者消除各種誤差來源,才能得到精確測溫的熱電偶。為工業生產、科學實驗提供穩定可靠的溫度測量數據。
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