热电偶检定中用偶偶丝替代补偿导线和铜导线连线减少测量误差

热电偶检定中用偶丝替代补偿导线和铜导线连线减少测量误差

2018/5/9 0:16:44 人评论 次浏览 分类:计量检定  文章地址:http://yunrun.com.cn/tech/1963.html

热电偶检定时用热电偶偶丝替代补偿导线和铜导线连线,可以降低测量误差。昌晖仪表详细分析其中的原因,值得计量工作者借鉴和推广。

热电偶检定规程要求在检定时将标准热电偶和被检热电偶的参考端引入0℃。对于检定工作用贵金属热电偶(S、R、B分度号),被检热电偶丝柔软便于接线;但对于检定工作用廉金属热电偶,由于大部分热电偶的直径比较粗,难以将参考端直接引入0℃,所以常常采用补偿导线将热电偶的自由端引入冰点,再用铜导线引出到高精度数字多用表电压档进行测量。

热电偶检定过程正确的测量方法见图1所示:
热电偶检定过程正确的测量方法
图1  热电偶检定过程中正确的测量方法

1、补偿导线常见的错误连接
①认为有了补偿导线,可以不用冰点,如图2所示。

图2   热电偶检定过程中没有用冰点的错误测量方法

②认为接补偿导线更好,不仅在热电偶到冰点之间连接用补偿导线,在冰点0℃到高精度数字多功能表之间也用补偿导线连接,如图3所示。

图3    热电偶检定时在0℃与数字过功能表之间用补偿导线

下面分析这两种接线形式所产生的误差(假设补偿导线无补偿误差):
正确连接时(见图1),如果热电偶的种类为Y,补偿导线为YX,应用中间导体定律,可以得到高精度数字多用表接受的电压为:
EZ=EY(T1,T3)+EYX(T3,T0)=EY(T1,T0)----------公式1

正好是热电偶工作端温度T1相对于0℃的热电势,可直接将读数与分度表比较,得出是否符合要求的结果。
对图2的情况,应用中间导体定律,高精度数字多用表接受的电压为:
EZ=EY(T1,T3)+EYX(T3,T2)=EY(T1,T2)---------公式2

与式(1)比较,正好相差电测仪器的输入端环境温度T2相对于0℃时的电势:
EY(T1,T0)-EY(T1,T2)=EY(T2,T0)----------------公式3

如果按图2的情况,检定结果低于实际热电偶的电势值,差值为热电偶的环境温度相对于0℃的电势。
对图3的情况,应用中间导体定律,高精度数字多用表接受的电压为:
EZ=EY(T1,T3)+EYX(T3,T0)-EYX(T0,T2)=EY(T1,T0)-EYX(T0,T2)-------公式4

从工时的结果来看,虽然加了冰点,从冰点到高精度数字多用表因为连接了补偿导线进行了反向补偿,最终结果与图2一样,测量值低于实际热电偶的电势值,差值的大小仍然为热电偶的环境温度相对于0℃的电势。

2、建议使用偶丝代替补偿导线
在热电偶检定中,廉金属热电偶的连接线常常采用补偿导线,但热电偶补偿导线的精度一般不高,根据国家有关标准,精密级热电偶补偿导线允差对于S偶为±2.5℃,对于K偶为±1.5℃,这对于热电偶检定来说,引入的误差太大,有可能将合格的热电偶检定出不合格的结果。

检定中使用热电偶补偿导线的目的是将热电偶输出端的温度T3补偿到检定所要求的T0(0℃)(见图1所示)。根据实践,对于廉金属热电偶检定,采用工作Ⅰ级Φ0.5mm的偶丝连接,丝径柔软,易于接线,造价也不高。Ⅰ级热电偶作为补偿导线必须经过校准,引入修正值,否则将会带入(0.4-1.5)℃的误差;对于贵金属热电偶(特别是长度在200-700mm的工作用S与R型热电偶的检定,由于偶丝短,不能直接置于参考端恒温器内),可以采用达到一等标准热电偶准确度水平的Φ0.3mm的同极性热电偶丝(允差±1℃)连接,将热电偶偶丝与被检热电偶的正极与正极相接,负极与负极相接,效果非常理想。检定贵金属热电偶用偶丝连接, 效果确实理想,但造价不低,也可以采用相应的补偿导线,但须经校准,只有修正后使用才具有实际意义。

从理论上分析,根据热电偶的均质导体定律,均质导体的热电势仅与两端头接点的温度有关,而与沿热电极的温度分布无关。所以采用偶丝直接连接,热电偶的两个电极由偶丝直接延伸到冰点,中间温度T3完全可以不考虑(见图1)。

用补偿导线连接,要求热电偶两个连接端温度要一致为T3,但在实际检定中,热电偶的自由端处于检定炉的端头,端头的温度很高,辐射和对流传热的影响对周围的影响很大,被检热电偶的自由端温度难以做到一致。那么在检定中,由于端头温度不一致所产生的误差,被带入了热电偶的检定结果。而用偶丝连接,即使热电偶自由端温度不一致,也不影响检定结果。

3、铜导线的选择与使用
将热电偶的自由端引入冰点,从冰点到高精度数字多用表的测量端使用铜导线连接,有的热电偶检定规程作了这样的规定,有的却没有如此的描述。如《工作用廉金属热电偶》检定规程,明确要求热电偶参考端的引线应使用同材质的铜电线进行连接,接触要良好;而《工作用贵金属热电偶》检定规程虽然在检定原理示意图中规定热电偶的参考端需要与转换开关(转向开关)相连接,但却没有指明用何种性质的引线,因此也就出现了有部分人员画蛇添足而使用补偿导线的现象(产生的误差已在上述作了分析)。

热电偶参考端引线的要求相当严格,热电偶两极所连接的导线,一定要用同一支铜导线截成两段,分别连接在热电偶两极的参考端上(铜导线在20℃时的电阻率应小于0.01724μΩ·m)。因为不是同一支铜导线,尽管电阻率都符合要求,但它们之间也有差别,这样两支铜导线组成的对子在温差的作用下,将在热电偶回路中产生附加热电动势。这个电动势的大小与两支铜导线材质差别及铜导线两端所处温差的大小有关,将给检测的热电偶带入一定的误差。

再有,铜导线与热电偶电极参考端的连接一定要接触良好,实际证明,那种用鱼嘴夹一夹的做法还是被很多的检定人员所采用,而这种做法在检测回路中将带入0.5-1.0℃的误差,且这个误差还不是固定值,有时还足以左右检定结果的判别。

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