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            K型熱電偶

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            基于固定點參考端的熱電偶精密測量技術研究

            來源:www.gapdownunder.com作者:發表時間:2022-02-22

             摘要: 實驗通過使用高穩定性相變固定點作為熱電偶的測量端和參考端的新方法,對銅 - 康( T) 銅熱電偶和鎳鉻 - 鎳硅( K) 熱電偶的材料熱電特性在常溫下持續 8 h 甚至更長時間內進行實驗并分析得出結論。

             
            在工業生產中,熱電偶測溫是最常用的測溫方法,熱電偶具有構造簡單、使用方便、測溫范圍廣泛、響應時間快、耐壓性強等優點,適用于信號遠傳、自動記錄以及集中控制,在溫度測量中占有重要地位。目前,在通常的測量溫區范圍內,熱電偶的穩定性最高可以達到一百多毫開爾文,因此使用鉑電阻溫度計來實現窄溫區內的高精度溫度測量是國內外通常使用方法。鉑電阻溫度計測溫的主要優點是測量精度高、穩定性好,缺點是測量端體積較大,構造復雜,響應時間長,測溫時需要有足夠的浸沒深度,不適用于無損傷測溫、特殊表面及精度較高的溫度測量。當前,國際 90 溫標通過一系列固定點、內插儀器及內插方法實現溫標傳遞在 0 ~ 30 ℃ 溫度范圍可獲得0. 5 mK 左右的測量不確定度,中國國家溫度基準在這個溫度范圍測量不確定度小于 0. 58 mK ( k = 2) ,把溫度基準傳遞技術應用于實際現場高精密溫度測量是國際趨勢。 
             
            1、基本原理
            熱電偶測溫原理可以看出,實現高精密熱電偶溫度測量的關鍵包括穩定的參考端、均勻的熱電偶材料、不受環境影響的電測設備以及有效的標定方法。熱電偶的熱電勢要受環境溫度 ( 冷端溫度) 的影響,在一定程度上,熱電偶的測量精度取決于冷端溫度的影響。美國 NIST 專家在線紋比較儀研究中的溫度測量部分,利用標準鉑電阻溫度計實時測量熱電偶的冷端溫度的方法,實現了將熱電偶的測量水平提高到 1 mK[1]。但是這個方法必須長時間頻繁地對標準鉑電阻溫度計進行標定,這就大大增加了使用過程中的工作量,對于現場工作來說難度相當大。
             
            本文的實驗中,使用將熱電偶測量端和參考端放置在國家基準固定點中的方法,對熱電偶的穩定性和測量不確定度進行實驗分析,探索 0 ~ 30 ℃ 溫度范圍包括三相點、共晶點及熔化點的多點精密標定方法。首先將熱電偶的參考端置于水三相點基準內,在確定熱電偶兩端相互絕緣的情況下,使其參考端恒定在穩定性小于 0. 1 mK 的環境中; 再將熱電偶的測量端置于水三相點瓶或鎵熔點裝置中,使測量端也恒定在穩定性小于 0. 1 mK 或 0. 5 mK 的環境中[6]。在兩種狀態下對廉金屬熱電偶的熱電特性進行測量分析,在兩種不同狀態下長時間觀察熱電偶的電動勢變化情況,確認熱電偶在測量端和參考端溫差為 0 ℃ 和 29. 754 6 ℃時的熱電特性,為探索熱電偶在 0 ~ 30 ℃ 溫度范圍內的精密標定方法提供穩定性依據。 
             
            2 實驗及結果
            2. 1 熱偶材料
            根據熱電偶的特性,試驗中熱電偶選用工業生產和控制中最常用的K 型熱電偶和室溫范圍內穩定性最好,熱電特性比較好的 T 型熱電偶作為實驗對象。為了使實驗的效果達到較好的水平,熱電 偶 的 合 金 絲 分 別 選 用 歐 米 伽 Ω 的 直 徑 為0. 125 mm 的 K 型熱電偶絲和直徑為 0. 5 mm 的 T 型熱電偶絲兩種。分別截取 2 m 長直徑為 0. 127 mm 的 K 型熱電偶絲和直徑為 0. 5 mm 的 T 型熱電偶
             
            絲,用激光焊接機將正、負極偶絲焊接在一起,形成光亮球形作為熱電偶的測量端即形成了 K 型 和 T 型熱電偶絲穩定性實驗的樣品,經校準熱電偶絲樣品誤差符合 I 級熱電偶的誤差要求。凍制兩個水三相點瓶放入三相點保存裝置,并使其達到穩定狀態,用國家基準溫度計對其進行標定,確保水三相點瓶達到國家基準固定點的水平,即穩定性小于 0. 1 mK。 
            測量端與參考端均為水三相點測量示意圖
            2. 2 實驗過程
            當熱電偶測量端和參考端處于同一溫度即熱電偶兩端溫差為0 ℃時,測量裝置如圖1 所示,將熱電偶的測量端置于水浸沒的石英管中,參考端兩端連接抗干擾的銅線,并且確保兩端絕緣、靠 近,置于浸沒硅油的另一石英管中,再將兩個石英管分別放入水三相點瓶內,接出的銅線作為測量線連接測量設備。為了避免水三相點保存裝置對熱電偶電動勢的影響,實驗中水三相點瓶放置在完全屏蔽電磁信號的冰桶內使用。當熱電偶測量端和參考端分別處于水三相點和鎵熔點溫坪即熱電偶兩端溫差為 29. 7546 ℃時,測量裝置如圖 2所示,裝有熱電偶測量端的石英管置于接近室溫的金屬固定點鎵熔點裝置中; 裝有參考端兩端連接銅線的石英管放入水三相點瓶內。
            測量端: 鎵熔點; 參考端: 水三相點測量示意圖
            實驗所用的測量設備采用 Agilent 34420A 數字多用表,Agilent34420A 納伏/微歐表是適用于進行低電平測量的高靈敏多用表。它把低噪聲電壓測量與電阻和溫度功能結合在一起,建立了靈活的低電平測量和高性能的新標準,其精確度可以達到 1 × 10 - 6 mV,對于 K 型和 T 型熱電偶來說,1 mk的溫度差產生的熱電動勢約為 40 nV,這個值大于實驗中實際使用的高精密測量設備的準確度。實驗中,環境溫度控制在 15 ~ 25 ℃ 范圍內,待熱電偶在兩種狀態下穩定后,使用電測設備每隔 1 h 對熱電偶產生的熱電動勢進行 100 次左右的測量,觀察熱電偶在兩種狀態下的 8 h 內的穩定性,判斷熱電偶的熱電特性。 
             
            2. 3 測量結果及討論
            針對兩種不同材質的熱電偶,分別在國家基準級水三相點瓶和金屬固定點鎵熔點裝置內進行長期穩定性實驗,所得實驗結果如圖 3 所示。 K 型熱電偶在測量端和參考端均在水三相點瓶內,穩定性實驗如圖 3 ( a) 所示,測量端和參考端分別在鎵熔點裝置和水三相點瓶內,穩定性實驗數據如圖 3 ( b) 所示; T 型熱電偶的實驗數據如圖 3( c) 和圖 3( d) 所示。測量結果用實驗標準偏差如表 1 所示。
            熱電偶常溫穩定性試驗標準偏差
            熱電偶熱電勢變化 40 nV 對應溫度變化 1 mk,經過 8 h,兩種材質熱電偶的測量不確定度小于0. 8 mk。實驗中,當熱電偶兩端溫差等于 0 ℃ 時,熱電偶的熱電動勢不等于零,這是由整套測量系統引入的測量不確定度引起的,在實際對熱電偶精密測量系統的標定過程中,可以在現場工況條件下使用三相點、共晶點及金屬熔化點對整個測量系統進行測試標定,針對不同的測量系統給出相應的分度數據。 
             
            3 結論
            實驗通過采用將熱電偶測量端和參考端放置在國家基準固定點中的方法,對熱電偶的測量不確定度進行實驗分析,兩種不同類型的熱電偶測實驗通過采用將熱電偶測量端和參考端放置在國家基準固定點中的方法,對熱電偶的測量不確定度進行實驗分析,兩種不同類型的熱電偶測量不確定度小于 0. 8 mk。說明常溫下 ( 溫度 20 ℃ ± 5 ℃,濕度 < 85% RH) ,符合 I 級熱電偶誤差范圍的熱電偶具有良好的穩定性,可以實現 1 mK 級以內溫度精密測量,并且為在常溫范圍內實現對熱電偶使用三相點、共晶點及熔化點的多點精密標定方法提供了理論和現實依據,也為熱電偶在高溫 ( 300 ℃以上) 段使用國家基準固定點進行標定提供了參考依據?,F場工況條件下實現 0 ~ 30 ℃ 溫度范圍熱電偶的高精密溫度測量,除了使用熱電特性長期穩定性較好的熱電偶以外,還需要配備高精度測量不確定度足夠小的電測設備,形成一套成熟的熱電偶精密測量系統。然后使用國家基準固定點和內插儀器,探索出適用于熱電偶現場標定的內插方法,參考標準鉑電阻溫度計的檢定方法,針對不同的熱電偶測量系統給出相應的分度表,實現對整個熱電偶測量系統的測量和標定,滿足特殊科研和工業領域對環境溫度的測量和控制有高精度的需要。
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