高精度熱電偶測(cè)溫儀校準(zhǔn)方法探討
高精度熱電偶測(cè)溫儀大都帶有冷端補(bǔ)償系統(tǒng),我們采用“直接尋找補(bǔ)償值”方法來(lái)消除補(bǔ)償導(dǎo)線引起的誤差。以性能穩(wěn)定的直流電壓發(fā)生器或熱電偶溫度校驗(yàn)儀作為源，以高精度數(shù)字多用表作為主標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而對(duì)高精度熱電偶測(cè)溫儀進(jìn)行校準(zhǔn)。同時(shí)，對(duì)冷端補(bǔ)償進(jìn)行單獨(dú)的計(jì)量，更加準(zhǔn)確地校準(zhǔn)高精度熱電偶測(cè)溫儀。
一、校準(zhǔn)方案
1.校準(zhǔn)原理和典型線路圖
性能穩(wěn)定的直流電壓發(fā)生器或熱電偶溫度校驗(yàn)儀通過(guò)數(shù)字按鍵，輸入熱電偶測(cè)溫儀所需校準(zhǔn)溫度點(diǎn)熱電勢(shì)。該模擬熱電勢(shì)值由高精度數(shù)字多用表作為主標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以調(diào)節(jié)熱電偶溫度校驗(yàn)儀輸出熱電勢(shì)；此時(shí)被校高精度熱電偶測(cè)溫儀再通過(guò)放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換采樣（或在A/D芯片進(jìn)行放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換采樣）獲取信號(hào)的數(shù)字信息，zui后通過(guò)單片機(jī)（或嵌入式系統(tǒng)）將采集所得數(shù)字信息通過(guò)軟件計(jì)算成對(duì)應(yīng)的溫度值。同時(shí)，冷端測(cè)量電路自動(dòng)測(cè)量的冷端溫度通過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線在測(cè)量端與冰點(diǎn)端的溫差所產(chǎn)生的補(bǔ)償熱電勢(shì)進(jìn)行補(bǔ)償。校準(zhǔn)典型線路圖如圖1所示。
圖1 校準(zhǔn)典型線路圖
2.冷端補(bǔ)償
（1）冷端補(bǔ)償必要性
由于冷端補(bǔ)償法的使用點(diǎn)多面廣，與熱電偶配用的溫度二次儀表大都帶有冷端補(bǔ)償系統(tǒng)，對(duì)這類(lèi)儀表的檢測(cè)是溫度二次儀表檢測(cè)的一個(gè)重要部分。參照J(rèn)JG617-1996《數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀》檢定規(guī)程的規(guī)定，對(duì)與熱電偶配用的數(shù)字溫度二次儀表的基本誤差的檢測(cè)，采用的方法是將被檢儀表連接補(bǔ)償導(dǎo)線插入冰點(diǎn)器，再用銅導(dǎo)線與信號(hào)源連接,輸入直流電壓信號(hào)來(lái)測(cè)量?jī)x表的誤差。考慮到以下幾個(gè)方面:補(bǔ)償導(dǎo)線盡管有20℃時(shí)的修正值，其修正值本身的擴(kuò)展不確定度U=0.3℃（k=2）；由于材料氧化、彎折而引起應(yīng)力變化等會(huì)帶來(lái)性能的漸變及熱電偶的不穩(wěn)定；溫度差異帶來(lái)的修正值的差異，冷端溫度并不一定是20℃，而修正值一律采用20℃時(shí)的修正數(shù)據(jù)，存在一定誤差。采用直接尋找補(bǔ)償值，來(lái)消除補(bǔ)償導(dǎo)線引入的誤差。
（2）冷端補(bǔ)償方式
為了減少補(bǔ)償導(dǎo)線所帶來(lái)的誤差，嘗試采用能在20℃附近調(diào)溫的恒溫槽來(lái)代替冰點(diǎn)器，該恒溫槽溫度設(shè)定偏差要求不高，均勻性必須保證不大于0.10℃。將恒溫槽的溫度設(shè)定為T0=20℃，補(bǔ)償導(dǎo)線一端短接插入恒溫槽，另一端直接接入被檢儀表（高精度數(shù)字多用表儀表）。如被檢儀表有零位校正功能則先校正零位。待被檢儀表冷端恒定后，測(cè)量此時(shí)的電勢(shì)值Δe，按式（1）將其換算成溫度值ΔT:
式中: ——熱電偶在20℃時(shí)的微分電勢(shì)值。
將恒溫槽溫度調(diào)整為T1，待槽溫恒定后，再測(cè)電勢(shì)值Δe，重復(fù)以上步驟，直到ΔT盡可能接近零，即恒溫槽的溫度與被檢儀表的冷端溫度一致（一般取ΔT<0.10℃），此時(shí)用被檢儀表讀取示值td。另用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻讀取恒溫槽溫度t0。按檢定規(guī)程的規(guī)定方法對(duì)被檢儀表進(jìn)行檢測(cè)，只是用Δe來(lái)代替原來(lái)補(bǔ)償導(dǎo)線20℃時(shí)的修正值，這樣可以提高標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高準(zhǔn)確度的配熱電偶測(cè)溫儀表的檢定。
（3）冷端補(bǔ)償綜合誤差
同時(shí)也可以地測(cè)出被檢儀表的冷端補(bǔ)償誤差Δt補(bǔ):
式中:Δt補(bǔ)——被校高精度熱電偶測(cè)溫儀的冷端補(bǔ)償誤差；td——由被檢熱電偶測(cè)溫儀讀取的溫度指示值；t0——由標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻讀取恒溫槽溫度值；Δe——補(bǔ)償導(dǎo)線實(shí)際溫度下的修正值； ——熱電偶在20℃時(shí)的微分電勢(shì)值。
3.校準(zhǔn)計(jì)算
性能穩(wěn)定的直流電壓發(fā)生器或熱電偶溫度校驗(yàn)儀、高精度數(shù)字多用表、高精度熱電偶測(cè)溫儀一起在校準(zhǔn)環(huán)境條件下恒溫2h以上，并通電預(yù)熱30min。其中，高精度數(shù)字多用表測(cè)量前需自校清零或手動(dòng)清零。而對(duì)于零點(diǎn)和量程可調(diào)的溫度校驗(yàn)儀，應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行調(diào)校，校準(zhǔn)過(guò)程中不允許再做調(diào)校。校準(zhǔn)時(shí)采用高精度數(shù)字溫度計(jì)（如自校式鉑電阻溫度計(jì)等）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并做好冰點(diǎn)器恒溫工作，取校準(zhǔn)開(kāi)始和結(jié)束兩次平均值計(jì)算零點(diǎn)修正值。計(jì)算公式（以輸入基準(zhǔn)法為例）:
式中:t——被校熱電偶測(cè)溫儀顯示的溫度值；ts——標(biāo)準(zhǔn)儀器輸入電量值所對(duì)應(yīng)的被檢校溫度值；±b——被校熱電偶測(cè)溫儀的分辨力； ——被校點(diǎn)ti的微分熱電勢(shì)；Δe——補(bǔ)償導(dǎo)線實(shí)際溫度下的修正值。
二、驗(yàn)證
由上述分析不難發(fā)現(xiàn),校準(zhǔn)中zui大的不確定度分量就是補(bǔ)償導(dǎo)線所帶來(lái)的不確定度。恒溫槽溫度與被檢儀表冷端的誤差一般控制在0.10℃以內(nèi)，同時(shí)補(bǔ)償導(dǎo)線的修正值又是當(dāng)場(chǎng)測(cè)量的，因此，補(bǔ)償導(dǎo)線采用修正值后,其帶來(lái)的不確定度影響zui小。現(xiàn)采用高精度數(shù)字多用表HP3458A（8位半）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以性能穩(wěn)定的直流電壓發(fā)生器或熱電偶溫度校驗(yàn)儀為源，配補(bǔ)償導(dǎo)線，按本文介紹的校準(zhǔn)方案制成校準(zhǔn)裝置。以美國(guó)FLUKE724溫度校驗(yàn)儀作為被校儀表（本文以校準(zhǔn)其K分度熱電偶測(cè)量功能為例），再與多功能校驗(yàn)儀5520A對(duì)FLUKE724溫度校驗(yàn)儀的校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)（包含冷端補(bǔ)償誤差影響），二者zui大示值誤差為0.1℃，比對(duì)結(jié)果小于FLUKE726溫度校驗(yàn)儀允差的1/3，結(jié)果滿意。
三、結(jié)束語(yǔ)
本文解決了高精度、多功能、智能化儀表，在無(wú)需配置價(jià)格比較昂貴的多功能校驗(yàn)儀的基礎(chǔ)上測(cè)溫的問(wèn)題。并且直接尋找補(bǔ)償值，充分考慮補(bǔ)償導(dǎo)線的誤差和冷端補(bǔ)償?shù)臋z測(cè)。在開(kāi)展此類(lèi)項(xiàng)目的檢測(cè)中獲得了較好的校準(zhǔn)效果。
作者單位【廣州市計(jì)量檢測(cè)技術(shù)研究院 張賀麗】
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