裝配式熱電偶保護(hù)套管對(duì)測(cè)量的不確定度影響

摘要:本文通過(guò)在試驗(yàn)室對(duì)裝配式熱電偶帶保護(hù)套管前后的檢定，得出了有效的數(shù)據(jù),。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,，得出其保護(hù)套管對(duì)測(cè)量不確定度和誤差的影響程度,，并分析了引起誤差的可能性。
1前言
       在工業(yè)生產(chǎn)中,，溫度類傳感器是溫度測(cè)量環(huán)節(jié)的核心部分,，品種繁多。按測(cè)量方式分為接觸式和非接觸式兩大類,，按測(cè)溫材質(zhì)和信號(hào)類型分為電阻式和熱電動(dòng)勢(shì)式兩大類,，即我們通常所說(shuō)的熱電阻和熱電偶。其中,，熱電偶是應(yīng)用廣泛的測(cè)溫元件之一,，因其價(jià)格低廉，測(cè)溫區(qū)間較寬,，輸出信號(hào)穩(wěn)定，耐惡劣環(huán)境等因素,，已經(jīng)廣泛用于電廠,、生產(chǎn)企業(yè)、科研院所等部門行業(yè),。
       熱電偶因其工作原理,、形狀,、安裝方式等不同，分為普通熱電偶,、鎧裝熱電偶,、裝配式熱電偶、薄膜熱電偶等類型,，其中又以鎧裝熱電偶和裝配式熱電偶常用。在實(shí)際使用中,，裝配式熱電偶均帶有不銹鋼保護(hù)套管,，直徑從φ4至φ16不等，若有特殊要求,，則可按需:定制。熱電偶的結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單,，但在使用中仍然會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題,，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不正確。例如:安裝位置不當(dāng),、補(bǔ)償導(dǎo)線不合格、溫度響應(yīng)速度等,。本文主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的熱電偶檢定設(shè)備和實(shí)際使用中的數(shù)據(jù)收集來(lái)分析與普通熱電偶相比,，裝配式熱電偶的保護(hù)套管對(duì)測(cè)量的影響程度及合理的使用方法。
2試驗(yàn)原理、設(shè)備及對(duì)象
2.1試驗(yàn)原理
       熱電偶是有兩根不同導(dǎo)體(或稱電極)構(gòu)成的,。這兩根導(dǎo)體--端焊接在一起，成為熱端(或稱工作端),，測(cè)溫時(shí)將此端處于被測(cè)介質(zhì)中,。另一端稱為冷端(或自由端)，接入二次儀表(顯示儀表)或電測(cè)設(shè)備,，如圖1所示,。由于導(dǎo)體的材質(zhì)不同,，熱端和冷端存在溫度差，因此回路中就有電流產(chǎn)生,，形成熱.電現(xiàn)象,。當(dāng)組成熱電偶的導(dǎo)體材料均勻時(shí)，其熱電勢(shì)的大小與導(dǎo)體本身的長(zhǎng)度和直徑大小無(wú)關(guān),，只與導(dǎo)體材料的成分及兩端的溫度有關(guān),。因此，用各種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體可做成各種用途的熱電偶,，以滿足不同溫度對(duì)象測(cè)量的需要,。常用的熱電偶分為8種，按其導(dǎo)體所用的不同材質(zhì)以不同的字母表示為B,、R,、S、K,、E,、N、J,、T型,。

       檢定熱電偶時(shí)，將單支控溫?zé)犭娕?K型,，I級(jí))置于石英管中,，由一端插人熱電偶檢定爐內(nèi)，熱端位置應(yīng)盡可能靠近檢定爐溫場(chǎng)中心點(diǎn),，該控溫偶用于對(duì)檢定爐內(nèi)溫度的精確控制,。然后將標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶(S型)和被檢裝配式熱電偶(K型)從另一端插人熱電偶檢定爐內(nèi)，通過(guò)導(dǎo)線將控溫偶,、標(biāo)準(zhǔn)偶,、被檢偶,、溫度控制器、冰點(diǎn)恒溫器,、低電勢(shì)掃描開(kāi)關(guān),、數(shù)字多用表等設(shè)備連接起來(lái),，記錄t溫度時(shí)的測(cè)量熱電動(dòng)勢(shì),，采用直接比較法進(jìn)行誤差分析和判斷，從而得出檢定結(jié)果,。系統(tǒng)接線如圖2所示,。

2.2試驗(yàn)設(shè)備
       本次試驗(yàn)采用的設(shè)備見(jiàn)表1。

2.3試驗(yàn)對(duì)象
       本次試驗(yàn)采用K型裝配式熱電偶,，型號(hào)為WRN2-230,精度等級(jí)I級(jí),，保護(hù)套管長(zhǎng)度150mm。本型號(hào)的裝配式熱電偶保護(hù)套管材質(zhì)為不銹鋼,，外徑φ16,，內(nèi)徑φ12，內(nèi)部熱電偶絲直徑1.6mm,。
3試驗(yàn)過(guò)程
       連接好各設(shè)備后,，將熱電偶檢定爐.溫度升高到400℃，穩(wěn)定1小時(shí)后,，分別記錄標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和帶套管的被檢熱電偶熱電動(dòng)勢(shì),，然后將被檢熱電偶絲移出保護(hù)套管，插人熱電偶檢定爐內(nèi),，穩(wěn)定0.5h后,，分別記錄標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和不帶套管的被檢熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)，該溫度點(diǎn)用以上方法連續(xù)測(cè)量8組,。在檢定溫度為500℃和600℃時(shí)按以上過(guò)程試驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù),。400℃時(shí)所記數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

 

       在試驗(yàn)過(guò)程中需要注意:(1)在操作過(guò)程中應(yīng)盡可能不碰觸標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的電測(cè)回路,，以免引起對(duì)回路中熱電勢(shì)的干擾,，造成測(cè)量信號(hào)的較大波動(dòng)。(2)被檢熱電偶在去除保護(hù)套管前后,，在熱電偶檢定爐中的位置應(yīng)滿足軸向?qū)ΨQ,，.以便盡可保證相同的溫場(chǎng)。(3)每次間隔測(cè)量時(shí),，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和被檢熱電偶在檢定爐中的位置須恒定不變,，即相同的插人位置和插人深度。(4)使用相同的設(shè)備和連接導(dǎo)線,。(5)保持試驗(yàn)過(guò)程中環(huán)境溫度和濕度在規(guī)程允許的范圍內(nèi),。
4測(cè)量的不確定度和誤差分析
4.1測(cè)量的不確定度分析
4.1.1測(cè)量模型
       熱電偶在400℃時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)誤差計(jì)算公式:

式中:
Δe--被校熱電偶電勢(shì)誤差(mV);
`e被,、`e標(biāo)一被校和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在某點(diǎn)測(cè)得的熱電勢(shì)平均值(mV);
e標(biāo)一標(biāo)準(zhǔn)熱電偶證書(shū)給出的某點(diǎn)溫度的電勢(shì)值(mV);
e分-被校熱電偶分度表給出的某點(diǎn)溫度的電勢(shì)值(mV);
S被、S標(biāo)一被校和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在某點(diǎn)溫度的微分熱電勢(shì)率(mV),。
由于△t=△e/微分熱電動(dòng)勢(shì),，為便于分析，將(1)式同除以S被,，改寫(xiě)為:

△t=△t1-△t2(2)
式中:
△t-被檢熱電偶溫度的誤差;
△t1--被檢熱電偶偏離分度點(diǎn)的溫度誤差;
△t2-標(biāo)準(zhǔn)熱電偶偏離分度點(diǎn)的溫度誤差,。
本次試驗(yàn)中，上--級(jí)計(jì)量檢定測(cè)試單位已經(jīng)通過(guò)證書(shū)給出了S型標(biāo)準(zhǔn)偶的最大不確定度U=0.2℃(k=2),。
本次試驗(yàn)中,，影響被測(cè)偶的誤差的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量見(jiàn)表3，由A類不確定度分量和B類不確定度分量組成,。
4.1.2帶保護(hù)套管時(shí)的被檢熱電偶不確定度分析
(1)由多次測(cè)量的重復(fù)性引人的不確定度分量u1A
       根據(jù)400℃時(shí)的8次重復(fù)性試驗(yàn),，`e=16.42009℃，K型熱電偶在400℃時(shí)的微分熱電動(dòng)勢(shì)值為42.24μV/℃,，則u1A為:

(2)由精密控溫儀誤差引人的不確.定度分量u)Bi.
       根據(jù)精密控溫儀的檢定證書(shū),，其測(cè)量的擴(kuò)展不確定度U=1℃，k=2,，則由精密控溫儀誤差引起的不確定度分量u1B1為:

(3)由過(guò)程信號(hào)校準(zhǔn)儀誤差引人的不確定度分量u1B2
       根據(jù)過(guò)程信號(hào)校準(zhǔn)儀的說(shuō)明書(shū),，在直流電壓為100mV時(shí)的誤差限為0.01%+0.005mV，K型熱電偶在400℃時(shí)的電勢(shì)為16.395mV,相應(yīng)的電量值--溫度變化率為42.24μV/℃,，則對(duì)應(yīng)的電勢(shì)誤差限和溫度誤差限為:

       在區(qū)間內(nèi)服從均勻分布，故由過(guò)程信號(hào)校準(zhǔn)儀誤差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1B2為:

(4)由熱電偶冷端溫度補(bǔ)償引人的不確定度分量u183
       根據(jù)冰點(diǎn)恒溫器使用說(shuō)明,，其精度等級(jí)為0℃±0.05℃,，服從均勻分布，則不確定度分量u1B2為:

(5)由補(bǔ)償導(dǎo)線修正值引人的不確定度分量u1p4
        經(jīng)測(cè)量得出,，補(bǔ)償導(dǎo)線在20℃時(shí)的最大誤差為0.138℃,，服從均勻分布，則不確定度分量為:

(6)由校驗(yàn)熱電偶的誤差引人的不確定度分量u1B5
已知校驗(yàn)偶的最大不確定度U=0.2C
(k=2),，則其標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1B4為:

4.1.3去除保護(hù)套管后的被檢熱電偶不確定度分析
       由于其主要的不確定度分量與帶保護(hù)套管時(shí)的不確定度分量相同,，運(yùn)用以上相同的算法和計(jì)算公式可以得出各分量的不確定度、合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度,、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度,，具體結(jié)果列人表4。

       可見(jiàn)在計(jì)算不確定度方面,，對(duì)于裝配式K型熱電偶而言,，保護(hù)套管對(duì)其的影響僅僅體現(xiàn)在A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度上的變化，但由于在合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度時(shí)所占比例很小,，在不確定度分析時(shí)可以忽略,。
4.2誤差分析
       由公式(2)計(jì)算帶保護(hù)套管時(shí)的被檢熱電偶溫度的誤差,。

則帶保護(hù)套管時(shí)的被檢熱電偶溫度的誤差△t為:
△t=△t1-△t2=0.592-0.120=0.472℃
由公式(2)計(jì)算去除保護(hù)套管后的被檢熱電偶溫度的誤差。

       可見(jiàn)去除保護(hù)套管后,，熱電偶的誤差變大,。
4.3誤差變化的可能因素
4.3.1響應(yīng)時(shí)間的影響
        接觸法測(cè)溫的基本原理是測(cè)溫元件要與被測(cè)對(duì)象達(dá)到熱平衡。因此,，在測(cè)溫時(shí)需要保持一定時(shí)間,，才能使兩者達(dá)到熱平衡。而保持時(shí)間的長(zhǎng)短,，同測(cè)溫元件的熱響應(yīng)時(shí)間有關(guān),。而熱響應(yīng)時(shí)間主要取決于傳感器的結(jié)構(gòu)及測(cè)量條件,差別極大。對(duì)于氣體介質(zhì),，尤其是靜止氣體，至少應(yīng)保持30min以上才能達(dá)到平衡,。測(cè)溫元件熱響應(yīng)誤差可通過(guò)公式
(3)確定,。

       由公式(4)可以看出，響應(yīng)誤差與時(shí)間常數(shù)τ成正比,。如果在400C點(diǎn)的恒溫時(shí)間不夠,，達(dá)不到熱平衡，就容易發(fā)生誤判,。
        試驗(yàn)表明,，裝配式熱電偶在檢定爐內(nèi)溫度上升到tC，從而達(dá)到熱平衡,，比去除保護(hù)套管后達(dá)到熱平衡需要等待更多的時(shí)間,，一般在1h左右。另外,，其熱電動(dòng)勢(shì)在熱平衡點(diǎn)附近上下波動(dòng)的范圍也更大,。
4.3.2熱輻射的影響
        插人爐內(nèi)用于測(cè)溫的熱電偶，將被高溫物體發(fā)出的熱輻射加熱,。假定爐內(nèi)氣體是透明的,，而且熱電偶與爐璧的溫差較大時(shí)，將因能量交換而產(chǎn)生測(cè)溫誤差,。在單位時(shí)間內(nèi),，兩者交換的輻射能為j，可用公式(5)表示:

       因此,，為了減少熱輻射誤差,，應(yīng)增大熱傳導(dǎo)，并使?fàn)t壁溫度T,盡可能接近熱電偶的溫度T,。另外,，在安裝時(shí)還應(yīng)注意:熱電偶安裝位置應(yīng)盡可能避開(kāi)從固體發(fā)出的熱輻射,，使其不能輻射到熱電偶表面;熱電偶帶有熱輻射遮蔽套。
結(jié)語(yǔ)
       裝配式熱電偶是科研,、生產(chǎn)過(guò)程中常用的溫度測(cè)量元件之一,，其外圍的保護(hù)套管雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是在使用中仍然會(huì)產(chǎn)生--部分測(cè)量誤差,。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明,，其產(chǎn)生的誤差在進(jìn)行不確定度評(píng)定時(shí)影響很小，誤差在合理范圍之內(nèi),，并不影響一般使用,。但是對(duì)于測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)合，還應(yīng)該進(jìn)行必要的驗(yàn)證工作,，給出修正值作為參考,。