熱電偶檢定規程要求在檢定時將標準熱電偶和被檢熱電偶的參考端引入0℃。對于檢定工作用貴金屬熱電偶(S、R、B分度號),被檢熱電偶絲柔軟便于接線;但對于檢定工作用廉金屬熱電偶,由于大部分熱電偶的直徑比較粗,難以將參考端直接引入0℃,所以常常采用補償導線將熱電偶的自由端引入冰點,再用銅導線引出到高精度數字多用表電壓檔進行測量。
熱電偶檢定過程正確的測量方法見圖1所示:

圖1 熱電偶檢定過程中正確的測量方法
1、補償導線常見的錯誤連接
①認為有了補償導線,可以不用冰點,如圖2所示。

圖2 熱電偶檢定過程中沒有用冰點的錯誤測量方法
②認為接補償導線更好,不僅在熱電偶到冰點之間連接用補償導線,在冰點0℃到高精度數字多功能表之間也用補償導線連接,如圖3所示。

圖3 熱電偶檢定時在0℃與數字過功能表之間用補償導線
下面分析這兩種接線形式所產生的誤差(假設補償導線無補償誤差):
正確連接時(見圖1),如果熱電偶的種類為Y,補償導線為YX,應用中間導體定律,可以得到高精度數字多用表接受的電壓為:
EZ=EY(T1,T3)+EYX(T3,T0)=EY(T1,T0)----------公式1
正好是熱電偶工作端溫度T1相對于0℃的熱電勢,可直接將讀數與分度表比較,得出是否符合要求的結果。
對圖2的情況,應用中間導體定律,高精度數字多用表接受的電壓為:
EZ=EY(T1,T3)+EYX(T3,T2)=EY(T1,T2)---------公式2
與式(1)比較,正好相差電測儀器的輸入端環境溫度T2相對于0℃時的電勢:
EY(T1,T0)-EY(T1,T2)=EY(T2,T0)----------------公式3
如果按圖2的情況,檢定結果低于實際熱電偶的電勢值,差值為熱電偶的環境溫度相對于0℃的電勢。
對圖3的情況,應用中間導體定律,高精度數字多用表接受的電壓為:
EZ=EY(T1,T3)+EYX(T3,T0)-EYX(T0,T2)=EY(T1,T0)-EYX(T0,T2)-------公式4
從工時的結果來看,雖然加了冰點,從冰點到高精度數字多用表因為連接了補償導線進行了反向補償,最終結果與圖2一樣,測量值低于實際熱電偶的電勢值,差值的大小仍然為熱電偶的環境溫度相對于0℃的電勢。
2、建議使用偶絲代替補償導線
在熱電偶檢定中,廉金屬熱電偶的連接線常常采用補償導線,但熱電偶補償導線的精度一般不高,根據國家有關標準,精密級熱電偶補償導線允差對于S偶為±2.5℃,對于K偶為±1.5℃,這對于熱電偶檢定來說,引入的誤差太大,有可能將合格的熱電偶檢定出不合格的結果。
檢定中使用熱電偶補償導線的目的是將熱電偶輸出端的溫度T3補償到檢定所要求的T0(0℃)(見圖1所示)。根據實踐,對于廉金屬熱電偶檢定,采用工作Ⅰ級Φ0.5mm的偶絲連接,絲徑柔軟,易于接線,造價也不高。Ⅰ級熱電偶作為補償導線必須經過校準,引入修正值,否則將會帶入(0.4-1.5)℃的誤差;對于貴金屬熱電偶(特別是長度在200-700mm的工作用S與R型熱電偶的檢定,由于偶絲短,不能直接置于參考端恒溫器內),可以采用達到一等標準熱電偶準確度水平的Φ0.3mm的同極性熱電偶絲(允差±1℃)連接,將熱電偶偶絲與被檢熱電偶的正極與正極相接,負極與負極相接,效果非常理想。檢定貴金屬熱電偶用偶絲連接, 效果確實理想,但造價不低,也可以采用相應的補償導線,但須經校準,只有修正后使用才具有實際意義。
從理論上分析,根據熱電偶的均質導體定律,均質導體的熱電勢僅與兩端頭接點的溫度有關,而與沿熱電極的溫度分布無關。所以采用偶絲直接連接,熱電偶的兩個電極由偶絲直接延伸到冰點,中間溫度T3完全可以不考慮(見圖1)。
用補償導線連接,要求熱電偶兩個連接端溫度要一致為T3,但在實際檢定中,熱電偶的自由端處于檢定爐的端頭,端頭的溫度很高,輻射和對流傳熱的影響對周圍的影響很大,被檢熱電偶的自由端溫度難以做到一致。那么在檢定中,由于端頭溫度不一致所產生的誤差,被帶入了熱電偶的檢定結果。而用偶絲連接,即使熱電偶自由端溫度不一致,也不影響檢定結果。
3、銅導線的選擇與使用
將熱電偶的自由端引入冰點,從冰點到高精度數字多用表的測量端使用銅導線連接,有的熱電偶檢定規程作了這樣的規定,有的卻沒有如此的描述。如《工作用廉金屬熱電偶》檢定規程,明確要求熱電偶參考端的引線應使用同材質的銅電線進行連接,接觸要良好;而《工作用貴金屬熱電偶》檢定規程雖然在檢定原理示意圖中規定熱電偶的參考端需要與轉換開關(轉向開關)相連接,但卻沒有指明用何種性質的引線,因此也就出現了有部分人員畫蛇添足而使用補償導線的現象(產生的誤差已在上述作了分析)。
熱電偶參考端引線的要求相當嚴格,熱電偶兩極所連接的導線,一定要用同一支銅導線截成兩段,分別連接在熱電偶兩極的參考端上(銅導線在20℃時的電阻率應小于0.01724μΩ·m)。因為不是同一支銅導線,盡管電阻率都符合要求,但它們之間也有差別,這樣兩支銅導線組成的對子在溫差的作用下,將在熱電偶回路中產生附加熱電動勢。這個電動勢的大小與兩支銅導線材質差別及銅導線兩端所處溫差的大小有關,將給檢測的熱電偶帶入一定的誤差。
再有,銅導線與熱電偶電極參考端的連接一定要接觸良好,實際證明,那種用魚嘴夾一夾的做法還是被很多的檢定人員所采用,而這種做法在檢測回路中將帶入0.5-1.0℃的誤差,且這個誤差還不是固定值,有時還足以左右檢定結果的判別。
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