高精度熱電偶測溫儀校準(zhǔn)方法探討
高精度熱電偶測溫儀大都帶有冷端補償系統(tǒng),我們采用“直接尋找補償值”方法來消除補償導(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儀作為源，以高精度數(shù)字多用表作為主標(biāo)準(zhǔn)器進行監(jiān)測，從而對高精度熱電偶測溫儀進行校準(zhǔn)。同時，對冷端補償進行單獨的計量，更加準(zhǔn)確地校準(zhǔn)高精度熱電偶測溫儀。
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儀通過數(shù)字按鍵，輸入熱電偶測溫儀所需校準(zhǔn)溫度點熱電勢。該模擬熱電勢值由高精度數(shù)字多用表作為主標(biāo)準(zhǔn)器進行監(jiān)測，以調(diào)節(jié)熱電偶溫度校驗儀輸出熱電勢；此時被校高精度熱電偶測溫儀再通過放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換采樣（或在A/D芯片進行放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換采樣）獲取信號的數(shù)字信息，zui后通過單片機（或嵌入式系統(tǒng)）將采集所得數(shù)字信息通過軟件計算成對應(yīng)的溫度值。同時，冷端測量電路自動測量的冷端溫度通過補償導(dǎo)線在測量端與冰點端的溫差所產(chǎn)生的補償熱電勢進行補償。校準(zhǔn)典型線路圖如圖1所示。
圖1 校準(zhǔn)典型線路圖
2.冷端補償
（1）冷端補償必要性
由于冷端補償法的使用點多面廣，與熱電偶配用的溫度二次儀表大都帶有冷端補償系統(tǒng)，對這類儀表的檢測是溫度二次儀表檢測的一個重要部分。參照JJG617-1996《數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀》檢定規(guī)程的規(guī)定，對與熱電偶配用的數(shù)字溫度二次儀表的基本誤差的檢測，采用的方法是將被檢儀表連接補償導(dǎo)線插入冰點器，再用銅導(dǎo)線與信號源連接,輸入直流電壓信號來測量儀表的誤差?？紤]到以下幾個方面:補償導(dǎo)線盡管有20℃時的修正值，其修正值本身的擴展不確定度U=0.3℃（k=2）；由于材料氧化、彎折而引起應(yīng)力變化等會帶來性能的漸變及熱電偶的不穩(wěn)定；溫度差異帶來的修正值的差異，冷端溫度并不一定是20℃，而修正值一律采用20℃時的修正數(shù)據(jù)，存在一定誤差。采用直接尋找補償值，來消除補償導(dǎo)線引入的誤差。
（2）冷端補償方式
為了減少補償導(dǎo)線所帶來的誤差，嘗試采用能在20℃附近調(diào)溫的恒溫槽來代替冰點器，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，測量此時的電勢值Δe，按式（1）將其換算成溫度值ΔT:
式中: ——熱電偶在20℃時的微分電勢值。
將恒溫槽溫度調(diào)整為T1，待槽溫恒定后，再測電勢值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)定方法對被檢儀表進行檢測，只是用Δe來代替原來補償導(dǎo)線20℃時的修正值，這樣可以提高標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度，從而實現(xiàn)對高準(zhǔn)確度的配熱電偶測溫儀表的檢定。
（3）冷端補償綜合誤差
同時也可以地測出被檢儀表的冷端補償誤差Δt補:
式中:Δt補——被校高精度熱電偶測溫儀的冷端補償誤差；td——由被檢熱電偶測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——補償導(dǎo)線實際溫度下的修正值； ——熱電偶在20℃時的微分電勢值。
3.校準(zhǔn)計算
性能穩(wěn)定的直流電壓發(fā)生器或熱電偶溫度校驗儀、高精度數(shù)字多用表、高精度熱電偶測溫儀一起在校準(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)字多用表測量前需自校清零或手動清零。而對于零點和量程可調(diào)的溫度校驗儀，應(yīng)按規(guī)定進行調(diào)校，校準(zhǔn)過程中不允許再做調(diào)校。校準(zhǔn)時采用高精度數(shù)字溫度計（如自校式鉑電阻溫度計等）進行監(jiān)測，并做好冰點器恒溫工作，取校準(zhǔn)開始和結(jié)束兩次平均值計算零點修正值。計算公式（以輸入基準(zhǔn)法為例）:
式中:t——被校熱電偶測溫儀顯示的溫度值；ts——標(biāo)準(zhǔn)儀器輸入電量值所對應(yīng)的被檢校溫度值；±b——被校熱電偶測溫儀的分辨力； ——被校點ti的微分熱電勢；Δe——補償導(dǎo)線實際溫度下的修正值。
二、驗證
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償導(dǎo)線所帶來的不確定度。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)，同時補償導(dǎo)線的修正值又是當(dāng)場測量的，因此，補償導(dǎo)線采用修正值后,其帶來的不確定度影響zui小?，F(xiàn)采用高精度數(shù)字多用表HP3458A（8位半）進行監(jiān)測，以性能穩(wěn)定的直流電壓發(fā)生器或熱電偶溫度校驗儀為源，配補償導(dǎo)線，按本文介紹的校準(zhǔn)方案制成校準(zhǔn)裝置。以美國FLUKE724溫度校驗儀作為被校儀表（本文以校準(zhǔn)其K分度熱電偶測量功能為例），再與多功能校驗儀5520A對FLUKE724溫度校驗儀的校準(zhǔn)結(jié)果進行比對（包含冷端補償誤差影響），二者zui大示值誤差為0.1℃，比對結(jié)果小于FLUKE726溫度校驗儀允差的1/3，結(jié)果滿意。
三、結(jié)束語
本文解決了高精度、多功能、智能化儀表，在無需配置價格比較昂貴的多功能校驗儀的基礎(chǔ)上測溫的問題。并且直接尋找補償值，充分考慮補償導(dǎo)線的誤差和冷端補償?shù)臋z測。在開展此類項目的檢測中獲得了較好的校準(zhǔn)效果。
作者單位【廣州市計量檢測技術(shù)研究院 張賀麗】
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