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熱電偶校驗(yàn)儀出廠前是怎么標(biāo)定的？

熱電偶校驗(yàn)儀從產(chǎn)品名稱上看就知道是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度傳感器的熱電偶所有分度號(hào)的產(chǎn)品進(jìn)行校驗(yàn)。熱電偶校驗(yàn)儀是一款便攜式的可充電的現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)工具。可以對(duì)熱電偶溫度傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)，顯示現(xiàn)場(chǎng)的溫度值，也可以模擬熱電偶輸出毫伏給現(xiàn)場(chǎng)的顯示儀表，同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的顯示儀表進(jìn)行校驗(yàn)。

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，溫度顯示和控制儀表已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)生產(chǎn)中的各個(gè)方面，在生產(chǎn)生活中起到重要的作用，尤其是在石油、電力、化工、冶金、航空等重要工業(yè)領(lǐng)域起著重要的測(cè)控作用。這些溫度儀表測(cè)量溫度傳感器傳遞來的模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，通過自身的信號(hào)調(diào)理電路或固化在芯片中的處理程序?qū)⑺鶞y(cè)得的溫度轉(zhuǎn)變成數(shù)字形式或模擬形式的顯示值。為了保證測(cè)試系統(tǒng)的可靠，對(duì)這些溫度儀表及傳感器的校準(zhǔn)、調(diào)整和檢修維護(hù)同樣也是一件十分重要的工作。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于這些溫度儀表的校準(zhǔn)、調(diào)試通常依據(jù)檢定規(guī)程中規(guī)定的，對(duì)配熱電阻的溫度儀表采用標(biāo)準(zhǔn)電阻箱作為標(biāo)準(zhǔn)電阻源，對(duì)于配熱電偶的溫度儀表采用直流電位差計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源進(jìn)行。然而，由于采用多儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，在實(shí)際工作中特別是現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)工作中十分不方便，在國(guó)內(nèi)的計(jì)量、測(cè)試、校準(zhǔn)領(lǐng)域逐漸出現(xiàn)了一些智能型多功能的溫度校驗(yàn)儀，例如FLUKE 72X系列、DRUCK TRX系列，紹興中儀CA102S多功能信號(hào)校驗(yàn)儀、NHR100/NHR200熱工信號(hào)校驗(yàn)儀等系列。它在功能上類似于標(biāo)準(zhǔn)電阻箱和直流電位差計(jì)的集成，使用上卻更加方便，但是由于國(guó)家溫度儀表類檢定規(guī)程中并沒有出現(xiàn)這種標(biāo)準(zhǔn)源，在檢定校準(zhǔn)這類儀器時(shí)多數(shù)只能參照相關(guān)規(guī)程規(guī)范進(jìn)行，校準(zhǔn)方法也就不能一致，造成校準(zhǔn)結(jié)果有一定的差異。本文在多次校準(zhǔn)比較的基礎(chǔ)上提出一種校準(zhǔn)方法供大家探討，在實(shí)際工作中也有一定的參考價(jià)值。

熱電偶校驗(yàn)儀原理

溫度校驗(yàn)儀是一種用于溫度傳感器和測(cè)控儀表或測(cè)控系統(tǒng)校準(zhǔn)、測(cè)試、調(diào)試的多功能綜合性儀器。它的原理是以單片機(jī)或處理器為核心，配置人機(jī)接口界面和輸入輸出電路，通常具有以下幾個(gè)特點(diǎn):

1、能測(cè)量多種熱電阻、熱電偶的信號(hào)并以溫度值顯示；

2、具有冷端(參考端) 溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能；

3、能輸出和測(cè)量電阻、直流電壓或直流電流值；

4、能按照分度表穩(wěn)定輸出多種熱電阻、熱電偶各溫度對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電量值。

用戶可以將要測(cè)量和顯示的各項(xiàng)數(shù)據(jù)通過人機(jī)界面輸入到指令操作電路中，單片機(jī)或處理器根據(jù)接收到的指令，控制電路做出相應(yīng)的輸入輸出動(dòng)作，并將其結(jié)果在顯示屏上顯示，有的功能較單一可能沒有顯示。另外，由于熱電阻、熱電偶的電量值和溫度值是非線性的，電路中通常還有一部分是用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)表格的存儲(chǔ)器電路。如圖1所示。對(duì)于帶熱電阻校準(zhǔn)功能的溫度校驗(yàn)儀由于輸入輸出的都是電阻信號(hào)，直接通過A/D轉(zhuǎn)換器就可以進(jìn)行測(cè)控。

圖1:溫度校驗(yàn)儀原理結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于帶熱電偶校準(zhǔn)功能的溫度校驗(yàn)儀，在A/D轉(zhuǎn)換器之前還有一個(gè)冷端補(bǔ)償電路，用來測(cè)量熱電偶的冷端溫度并進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。補(bǔ)償方法常見到有補(bǔ)償橋路法、變送器轉(zhuǎn)換法和LWB冷端補(bǔ)償器法。

校準(zhǔn)方法

1、校準(zhǔn)條件

溫度校驗(yàn)儀通常可輸出各種電信號(hào)，如熱電偶的直流毫伏信號(hào)(mV) ，熱電阻的直流電阻信號(hào)(Ω) ，變送器的直流毫安信號(hào)(mA)和直流電壓信號(hào)(V)，同時(shí)具有較高的精度(>0.02%) ，所以校準(zhǔn)溫度校驗(yàn)儀用的標(biāo)準(zhǔn)器應(yīng)選用測(cè)量各種電信號(hào)不確定度小于溫度校驗(yàn)儀允差1/5的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器，可以調(diào)溫的均勻性大于0.05 ℃的恒溫器，以及校準(zhǔn)熱電阻電阻信號(hào)用的四根專用連接導(dǎo)線。

2、基本誤差的校準(zhǔn)方法

對(duì)于校準(zhǔn)輸出熱電阻信號(hào)的溫度校驗(yàn)儀來說，我們可以依據(jù)國(guó)家檢定規(guī)程中的方法，采用四根專用連接導(dǎo)線連接校驗(yàn)儀和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器，即可得出它輸出的電阻信號(hào)基本誤差，再依據(jù)分度表可以得到不同分度下的溫度誤差。

對(duì)于校準(zhǔn)輸出熱電偶信號(hào)的溫度校驗(yàn)儀來說，通過校驗(yàn)儀原理我們可以看出，它的基本誤差實(shí)際包括兩個(gè)部分：輸出直流毫伏信號(hào)的誤差和冷端測(cè)量的誤差。在JJ G617—1996《數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀檢定規(guī)程》中規(guī)定對(duì)配熱電偶的數(shù)字溫度儀表基本誤差的檢定，采用如圖2 所示的方法，被檢儀表連接補(bǔ)償導(dǎo)線插入冰點(diǎn)槽，再用銅導(dǎo)線與信號(hào)源相連接，輸入直流毫伏信號(hào)來測(cè)量?jī)x表的誤差。所以有人提出采用類似的方法來校準(zhǔn)溫度校驗(yàn)儀，將被檢儀表換成校驗(yàn)儀，信號(hào)源換成測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器。但是筆者認(rèn)為這種方法不妥，主要原因有:

1、這種方法對(duì)于那些測(cè)量精度不高的儀表適用，但是對(duì)于溫度校驗(yàn)儀這種精度較高的儀器來說，所測(cè)得的誤差中包括了恒溫槽和補(bǔ)償導(dǎo)線的測(cè)量誤差，不確定度分量較大。尤其是補(bǔ)償導(dǎo)線由于穩(wěn)定性、材料等原因本身的誤差就比較大，精密級(jí)的補(bǔ)償導(dǎo)線也要達(dá)到2μV，而且由于補(bǔ)償導(dǎo)線的修正值采用的都是20 ℃時(shí)的修正值，而實(shí)際冷端溫度可能與20 ℃存在一定的差異，存在一定誤差，因而無論配備再好的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器，整套校準(zhǔn)裝置的不確定度也無法得到有效提高。

2、溫度校驗(yàn)儀通常都具有校準(zhǔn)多種分度號(hào)熱電偶的功能，按上述方法必須對(duì)每一種分度號(hào)的熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)，這在實(shí)際工作中工作量巨大，難以做到，而且在技術(shù)上也毫無必要。因?yàn)椴徽撌裁捶侄忍?hào)的熱電偶的溫度輸出都是由直流電壓輸出和冷端補(bǔ)償組成的。

所以，本文認(rèn)為對(duì)于校準(zhǔn)熱電偶信號(hào)輸出的溫度校驗(yàn)儀適宜分別對(duì)直流毫伏信號(hào)輸出基本誤差和冷端補(bǔ)償誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)于直流毫伏輸出誤差的校準(zhǔn)可以依據(jù)JJ G445—86《直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源檢定規(guī)程》連接測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行校準(zhǔn)，而對(duì)于冷端補(bǔ)償誤差可以采用以下方法進(jìn)行校準(zhǔn)。

如圖3，采用一個(gè)可以調(diào)節(jié)溫度的恒溫槽來代替零度恒溫槽，該恒溫槽的偏差要求不高，但是均勻性不得大于0.05 ℃，以保證測(cè)量精度。將恒溫槽的初始溫度t0=20℃，任選一分度號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線，補(bǔ)償導(dǎo)線的一端短接后插入恒溫槽，另一端接入被校的溫度校驗(yàn)儀冷端輸入端。另外采用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)及相應(yīng)測(cè)量?jī)x表(或者標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)) 測(cè)量槽溫，鉑電阻溫度計(jì)感溫元件端應(yīng)該與補(bǔ)償導(dǎo)線短接端保持同一高度并盡量接近。待槽溫和被校冷端溫度恒定后，測(cè)量此時(shí)補(bǔ)償導(dǎo)線參考端的熱電動(dòng)勢(shì)值E1，按下式換算成溫度Δt1。

其中，St0表示該分度號(hào)熱電偶在20 ℃時(shí)的微分電動(dòng)勢(shì)值。

將恒溫槽溫度調(diào)整為t1 = t0 - Δt1 ，待槽溫恒定后，再測(cè)量補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電動(dòng)勢(shì)值E2，重復(fù)以上步驟，直到熱電動(dòng)勢(shì)值E或Δt接近零(或者小于一定值，一般可取Δt<0.1℃) ，即認(rèn)為恒溫槽的槽溫與冷端溫度一致。此時(shí)將被檢溫度校驗(yàn)儀轉(zhuǎn)換至測(cè)溫檔，讀取儀表指示值td和標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)讀數(shù)t標(biāo)。

然后，將補(bǔ)償導(dǎo)線參考端拆下后接上銅導(dǎo)線，放入恒溫槽中，補(bǔ)償導(dǎo)線的短接端和參考端放置在同一深度并盡量接近，銅導(dǎo)線的兩端同時(shí)接到測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器上，測(cè)量補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電動(dòng)勢(shì)Δe。并按照下式得出該溫度校驗(yàn)儀的冷端補(bǔ)償誤差Δ補(bǔ)。

Δ補(bǔ)= (td - t標(biāo))·St標(biāo)- Δe

式中，Δ補(bǔ)為被校儀器的冷端補(bǔ)償誤差，μV ；

td為被校儀器讀取的溫度示值，℃；

t標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)讀取的溫度值，℃；

St標(biāo)為該分度號(hào)熱電偶在標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)所示溫度時(shí)的微分電動(dòng)勢(shì)，μV/ ℃；

Δe為補(bǔ)償導(dǎo)線實(shí)際溫度下的修正值，μV。

所得出的冷端補(bǔ)償誤差，根據(jù)熱電偶的分度表可以分別得出不同分度號(hào)熱電偶換算出的溫度值。

這樣校準(zhǔn)結(jié)果就分成了溫度校驗(yàn)儀的直流毫伏信號(hào)輸出誤差和冷端補(bǔ)償誤差，最大限度的減少了冷端測(cè)量和補(bǔ)償導(dǎo)線引起的誤差。

3、基本誤差計(jì)算

溫度校驗(yàn)儀的最后基本誤差按下式計(jì)算：

式中:Δt為溫度校驗(yàn)儀換算成溫度的基本誤差，℃；

ΔA為電量程輸出指示誤差，μV、Ω或mA ；

Δ補(bǔ)為熱電偶輸出時(shí)的冷端補(bǔ)償誤差，μV，在校準(zhǔn)非熱電偶輸出時(shí)，此項(xiàng)為0；

(ΔA /Δt) t 為電量程輸出指示誤差，μV/℃、Ω/℃或mA/℃。

Δt 的最后結(jié)果應(yīng)按照數(shù)據(jù)修約規(guī)則化整到與溫度校驗(yàn)儀該功能檔的分辨率一致。

結(jié)束語

通過對(duì)熱電偶校驗(yàn)儀的電量輸出誤差和冷端補(bǔ)償誤差分別測(cè)量，對(duì)于高準(zhǔn)確度、多功能的溫度校驗(yàn)儀我們可以更加方便、準(zhǔn)確的測(cè)量其誤差，達(dá)到校準(zhǔn)的目的。其校準(zhǔn)的測(cè)量不確定度實(shí)際只是由兩部分組成:電量輸出的不確定度和冷端補(bǔ)償?shù)牟淮_定度。

其中，電量輸出的不確定度與冷端補(bǔ)償?shù)牟淮_定度相比通常較小，在輸出熱電偶信號(hào)時(shí)，我們可以通過兩者的合成得到溫度校驗(yàn)儀在各個(gè)分度時(shí)的測(cè)量不確定度，并且通過對(duì)冷端補(bǔ)償誤差的更精確測(cè)量來校準(zhǔn)高精度溫度校驗(yàn)儀。