標準熱電偶檢定過程中出現的問題及分析

鄧艷琴

(江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京211102)

0 引言

熱電偶是將溫度轉換成電勢的一種感溫元件，配以電測儀表，通過測量電勢從而測定溫度值。標準鉑銠10—鉑熱電偶是熱電偶系列中準確度較高，物理、化學性能良好，穩定性高的溫度計。因此，它作為標準計量器具，在419.527～1084.62℃溫區用于溫度量值傳遞，也用于該溫區內的精密測溫。為確保標準熱電偶的質量，使其測溫準確，保證量值傳遞可靠，需定期對其檢定。通常用于開展二等標準熱電偶檢定的設備為熱電偶自動檢定裝置。

1 裝置組成及主要技術指標

1)檢定溫度范圍:300～1100℃;

2)標準器:一等標準熱電偶;

3)七位半數字繁用表:100 mV量程，精度為±(0.004%讀數+0.0004%量程);

4)掃描開關:寄生電勢≤0.4μV;

5)檢定爐:溫度變化≤0.1℃/min，10min內溫度變化≤0.5℃;

6)可控硅調壓器:控溫范圍使檢定爐爐溫偏離檢定點溫度不超過3℃;

7)冰點器:(0±0.1)℃;

8)退火設備;

9)計算機及校表軟件一套。

2 工作原理

根據JJG75-1995《標準鉑銠10-鉑熱電偶》檢定規程要求，采用雙極比較法原理，將一等標準熱電偶和作為被檢的二等標準熱電偶的測量端捆扎成一束，同軸地置于檢定爐內溫度最高處。用單芯銅導線將各熱電偶參考端可靠地連接，插入冰點器的試管中，使其始終處于0℃環境下，并將單芯銅導線的另一端連接到主機掃描開關接線端子上，在鋅點(419.527℃)、鋁點(660.323C)及銅點(1084.62℃)三個固定點(或分度點)溫度附近進行檢定。工作時，計算機在專用軟件的控制下，發出各種操作指令給主機，計算機通過專用USB接口控制掃描開關，切換輸入數字繁用表的測量信號，通過RS232通用接口控制數字繁用表進行數據采集，并對數據進行分析處理，以改變可控硅調壓器，進而控制爐內溫度變化，使檢定爐內溫度符合要求。計算機通過一系列收、發指令，實現標準熱電偶及被檢熱電偶熱電勢值的巡回檢測、數據采集，判斷采集數據的有效值，并按規程要求進行數據處理，達到自動完成檢定工作的目的。工作原理框圖見圖1。

圖3 PTB激光干涉法正弦扭矩標準裝置

3 測量過程中出現的問題及分析

3.1 檢定裝置恒溫不穩定或穩定時間過長

檢定時，將爐溫升到預定的分度點，保持數分鐘，使熱電偶的測量端達到熱平衡。正常情況下，當爐溫變化小于0.1℃/min時，便開始采樣測量。出現故障時，恒溫不穩定，在0.1℃附近反復變化，使得采樣無法進行;或穩定時間過長，很長時間才采樣，影響測量進程。出現這種問題可從下面幾方面來考慮。

1)由于熱電偶產生的電勢很小，僅為幾毫伏到幾十毫伏。當存在交流電壓干擾時，數字繁用表的測量數據會產生上下波動。由于數字繁用表的測量數據不穩，使得計算機獲得的測量信號不可靠，無法準確控制爐溫。為了抑制來自外界的干擾，連接地線是最重要的手段。檢定時，需檢查數字繁用表、檢定爐接地是否良好。

2)實驗室的動力電源不穩定也會影響到爐溫的控制。若影響比較頻繁，則需加穩壓電源，以保證電源的穩定輸出。

3)檢定時，冰點器中的熱電偶參考端與銅連接導線處通常采用漆包絲捆扎后，放入盛有變壓器油的試管中，整個檢定過程需三個小時左右。若捆扎不牢，漆包絲長時間浸泡，會變得松散，互相接觸不良，使測得的熱電勢不穩。因此，捆扎時應注意將參考端與銅導線端對齊，用漆包絲捆扎牢固，捆后的長度在一厘米以內，再將比較匹配的塑料管套入。這樣既保證漆包絲不松散，又可避免熱電偶的兩極碰在一起短路產生測量故障。

4)如果恒溫不穩定時，數字繁用表的測量數據不是上下波動，而是朝一個方向變化，則可能是裝置使用時間較長，檢定爐的溫場或其它設備的性能有些改變，需要重新調整軟件中的控溫參數。

3.2 檢定過程中出現異常狀況

熱電偶檢定時，校表軟件系統顯示的異常

狀態主要有:

1)通道異常。原因是冷端接線有誤。熱電偶正負極接反，或者偶絲接觸不良、斷裂均會引起通道異常。需檢查熱電偶的接線。

2)校表軟件系統提示“升溫太慢”。原因是調壓器與主機未聯機。另一原因是標準熱電偶冷端正負極接觸不良。應檢查連接線路。

3.3 熱電偶兩周期間的熱電勢測量結果變化較大或超出允許范圍

使用中的標準熱電偶技術狀況好壞，一般由其穩定性來判斷。JJG75-1995《標準鉑銠10—鉑熱電偶》檢定規程規定，二等標準熱電偶的穩定性以銅點的熱電動勢變化決定，且兩周期間變化值不大于10μV。

影響熱電偶穩定性的因素有很多。首先是熱電偶自身的影響:熱電極在使用中的氧化和揮發;熱電極受外力而引起變形所產生的應力;高溫下熱電極晶粒長大以及環境對熱電極的沾污和腐蝕等。其次，檢定過程中操作人員對熱電偶的捆扎及作為標準器的熱電偶誤差均會對測量結果有直接關系。當測量結果出現異常時，可從下面幾方面進行分析處理。

1)熱電偶的清洗、退火:二等標準熱電偶檢定前必須進行清洗及退火。先將其浸入約30%(按容積)的鹽酸或硝酸溶液中，常溫下浸泡一小時，再用蒸餾水去除酸性，以清除熱電極表面的有機物(如油膜)。接著用化學純硼砂清洗電極上的污垢，再在蒸餾水中煮沸數次，徹底除凈電極上的硼砂，使熱電極出現金屬光澤，以清除熱電極表面的氧化

物和雜質。然后把清洗過的熱電偶掛在通電退火裝置中，通入10.5A電流，使其在1100℃下退火一小時。再放入退火爐中，退火兩小時，消除熱電極中的應力。

2)熱電偶的捆扎:標準器和被檢熱電偶用鉑絲捆扎成一束，熱電偶的測量端用直徑為0.1～0.3 mm的清潔鉑絲捆扎在一起，測量端應處于同一平面且相互間接觸良好。測量端之外的電極不應互相接觸。

為便于捆扎，檢定的熱電偶數量不宜太多。由實際經驗可知，一次檢定3支正熱電偶，被檢熱電偶兩周期間銅點熱電動勢的變化值一般不大于3μV。一次檢定4支熱電偶，離標準熱電偶遠的被檢熱電偶兩周期間的變化值會大于4μV以上。為使量值傳遞準確可靠，每次檢定的熱電偶數量不多于4支為宜。

捆扎好的熱電偶束同軸地置于分度爐內，測量端置于溫度最高處。此處不一定是檢定爐的中心位置，而是偏離爐中心±20 mm內最高溫度點，該點可從檢定爐溫場測試中獲得。

3)當被檢熱電偶兩周期間的變化值超過允許范圍時，首先應檢查捆扎是否有問題，冰點器中的冰水混合物是否在(0±0.1)℃范圍內，各連接線接觸是否良好。若均未發現問題，可換一支合格的標準器重新進行檢定。如果測量結果與上一次一致，變化值仍然超差，則說明被檢熱電偶不合格。如果測量結果變化值不超差，則說明上一次的標準熱電偶有問題，熱電勢可能發生了變化。

4 總結

影響熱電偶的測量因素有很多，設備、人員、方法、對象及環境均會涉及。為確保熱電偶測溫準確，保證量值傳遞可靠，需定期對檢定爐進行清理及溫場校準，檢查各連接端緊固情況，認真做好裝置的重復性、穩定性試驗。同時，要對標準熱電偶進行監督性校驗，及時檢查其在檢定周期內是否仍保持應有的穩定性，以確保檢定傳遞質量。總之，設備有了良好的維護，測量人員細心操作，測量結果的質量將會更可靠。

［1］JJG75-1995標準鉑銠10-鉑熱電偶檢定規程［S］.