您好,三畅仪表官方网站欢迎您!

官方微信|加入收藏|联系三畅

K型热电偶

全国咨询服务热线:

0517-8699832618952302362

新闻资讯

联系我们

基于固定点参考端的热电偶精密测量技术研究

来源:www.woorcen.com作者:发表时间:2022-02-22

 摘要: 实验通过使用高稳定性相变固定点作为热电偶的测量端和参考端的新方法,对铜 - 康( T) 铜热电偶和镍铬 - 镍硅( K) 热电偶的材料热电特性在常温下持续 8 h 甚至更长时间内进行实验并分析得出结论。

 
在工业生产中,热电偶测温是最常用的测温方法,热电偶具有构造简单、使用方便、测温范围广泛、响应时间快、耐压性强等优点,适用于信号远传、自动记录以及集中控制,在温度测量中占有重要地位。目前,在通常的测量温区范围内,热电偶的稳定性最高可以达到一百多毫开尔文,因此使用铂电阻温度计来实现窄温区内的高精度温度测量是国内外通常使用方法。铂电阻温度计测温的主要优点是测量精度高、稳定性好,缺点是测量端体积较大,构造复杂,响应时间长,测温时需要有足够的浸没深度,不适用于无损伤测温、特殊表面及精度较高的温度测量。当前,国际 90 温标通过一系列固定点、内插仪器及内插方法实现温标传递在 0 ~ 30 ℃ 温度范围可获得0. 5 mK 左右的测量不确定度,中国国家温度基准在这个温度范围测量不确定度小于 0. 58 mK ( k = 2) ,把温度基准传递技术应用于实际现场高精密温度测量是国际趋势。 
 
1、基本原理
热电偶测温原理可以看出,实现高精密热电偶温度测量的关键包括稳定的参考端、均匀的热电偶材料、不受环境影响的电测设备以及有效的标定方法。热电偶的热电势要受环境温度 ( 冷端温度) 的影响,在一定程度上,热电偶的测量精度取决于冷端温度的影响。美国 NIST 专家在线纹比较仪研究中的温度测量部分,利用标准铂电阻温度计实时测量热电偶的冷端温度的方法,实现了将热电偶的测量水平提高到 1 mK[1]。但是这个方法必须长时间频繁地对标准铂电阻温度计进行标定,这就大大增加了使用过程中的工作量,对于现场工作来说难度相当大。
 
本文的实验中,使用将热电偶测量端和参考端放置在国家基准固定点中的方法,对热电偶的稳定性和测量不确定度进行实验分析,探索 0 ~ 30 ℃ 温度范围包括三相点、共晶点及熔化点的多点精密标定方法。首先将热电偶的参考端置于水三相点基准内,在确定热电偶两端相互绝缘的情况下,使其参考端恒定在稳定性小于 0. 1 mK 的环境中; 再将热电偶的测量端置于水三相点瓶或镓熔点装置中,使测量端也恒定在稳定性小于 0. 1 mK 或 0. 5 mK 的环境中[6]。在两种状态下对廉金属热电偶的热电特性进行测量分析,在两种不同状态下长时间观察热电偶的电动势变化情况,确认热电偶在测量端和参考端温差为 0 ℃ 和 29. 754 6 ℃时的热电特性,为探索热电偶在 0 ~ 30 ℃ 温度范围内的精密标定方法提供稳定性依据。 
 
2 实验及结果
2. 1 热偶材料
根据热电偶的特性,试验中热电偶选用工业生产和控制中最常用的K 型热电偶和室温范围内稳定性最好,热电特性比较好的 T 型热电偶作为实验对象。为了使实验的效果达到较好的水平,热电 偶 的 合 金 丝 分 别 选 用 欧 米 伽 Ω 的 直 径 为0. 125 mm 的 K 型热电偶丝和直径为 0. 5 mm 的 T 型热电偶丝两种。分别截取 2 m 长直径为 0. 127 mm 的 K 型热电偶丝和直径为 0. 5 mm 的 T 型热电偶
 
丝,用激光焊接机将正、负极偶丝焊接在一起,形成光亮球形作为热电偶的测量端即形成了 K 型 和 T 型热电偶丝稳定性实验的样品,经校准热电偶丝样品误差符合 I 级热电偶的误差要求。冻制两个水三相点瓶放入三相点保存装置,并使其达到稳定状态,用国家基准温度计对其进行标定,确保水三相点瓶达到国家基准固定点的水平,即稳定性小于 0. 1 mK。 
测量端与参考端均为水三相点测量示意图
2. 2 实验过程
当热电偶测量端和参考端处于同一温度即热电偶两端温差为0 ℃时,测量装置如图1 所示,将热电偶的测量端置于水浸没的石英管中,参考端两端连接抗干扰的铜线,并且确保两端绝缘、靠 近,置于浸没硅油的另一石英管中,再将两个石英管分别放入水三相点瓶内,接出的铜线作为测量线连接测量设备。为了避免水三相点保存装置对热电偶电动势的影响,实验中水三相点瓶放置在完全屏蔽电磁信号的冰桶内使用。当热电偶测量端和参考端分别处于水三相点和镓熔点温坪即热电偶两端温差为 29. 7546 ℃时,测量装置如图 2所示,装有热电偶测量端的石英管置于接近室温的金属固定点镓熔点装置中; 装有参考端两端连接铜线的石英管放入水三相点瓶内。
测量端: 镓熔点; 参考端: 水三相点测量示意图
实验所用的测量设备采用 Agilent 34420A 数字多用表,Agilent34420A 纳伏/微欧表是适用于进行低电平测量的高灵敏多用表。它把低噪声电压测量与电阻和温度功能结合在一起,建立了灵活的低电平测量和高性能的新标准,其精确度可以达到 1 × 10 - 6 mV,对于 K 型和 T 型热电偶来说,1 mk的温度差产生的热电动势约为 40 nV,这个值大于实验中实际使用的高精密测量设备的准确度。实验中,环境温度控制在 15 ~ 25 ℃ 范围内,待热电偶在两种状态下稳定后,使用电测设备每隔 1 h 对热电偶产生的热电动势进行 100 次左右的测量,观察热电偶在两种状态下的 8 h 内的稳定性,判断热电偶的热电特性。 
 
2. 3 测量结果及讨论
针对两种不同材质的热电偶,分别在国家基准级水三相点瓶和金属固定点镓熔点装置内进行长期稳定性实验,所得实验结果如图 3 所示。 K 型热电偶在测量端和参考端均在水三相点瓶内,稳定性实验如图 3 ( a) 所示,测量端和参考端分别在镓熔点装置和水三相点瓶内,稳定性实验数据如图 3 ( b) 所示; T 型热电偶的实验数据如图 3( c) 和图 3( d) 所示。测量结果用实验标准偏差如表 1 所示。
热电偶常温稳定性试验标准偏差
热电偶热电势变化 40 nV 对应温度变化 1 mk,经过 8 h,两种材质热电偶的测量不确定度小于0. 8 mk。实验中,当热电偶两端温差等于 0 ℃ 时,热电偶的热电动势不等于零,这是由整套测量系统引入的测量不确定度引起的,在实际对热电偶精密测量系统的标定过程中,可以在现场工况条件下使用三相点、共晶点及金属熔化点对整个测量系统进行测试标定,针对不同的测量系统给出相应的分度数据。 
 
3 结论
实验通过采用将热电偶测量端和参考端放置在国家基准固定点中的方法,对热电偶的测量不确定度进行实验分析,两种不同类型的热电偶测实验通过采用将热电偶测量端和参考端放置在国家基准固定点中的方法,对热电偶的测量不确定度进行实验分析,两种不同类型的热电偶测量不确定度小于 0. 8 mk。说明常温下 ( 温度 20 ℃ ± 5 ℃,湿度 < 85% RH) ,符合 I 级热电偶误差范围的热电偶具有良好的稳定性,可以实现 1 mK 级以内温度精密测量,并且为在常温范围内实现对热电偶使用三相点、共晶点及熔化点的多点精密标定方法提供了理论和现实依据,也为热电偶在高温 ( 300 ℃以上) 段使用国家基准固定点进行标定提供了参考依据。现场工况条件下实现 0 ~ 30 ℃ 温度范围热电偶的高精密温度测量,除了使用热电特性长期稳定性较好的热电偶以外,还需要配备高精度测量不确定度足够小的电测设备,形成一套成熟的热电偶精密测量系统。然后使用国家基准固定点和内插仪器,探索出适用于热电偶现场标定的内插方法,参考标准铂电阻温度计的检定方法,针对不同的热电偶测量系统给出相应的分度表,实现对整个热电偶测量系统的测量和标定,满足特殊科研和工业领域对环境温度的测量和控制有高精度的需要。
相关产品推荐:侧装磁翻板液位计