ConST680智能溫度自動檢定系統在熱電偶檢定領域的應用

摘要：ConST680智能溫度自動檢定系統是集計算機技術、電子技術、自動測試技術于一體的自動化溫度檢定裝置，可以實現超高效率并行多任務管理，布線簡便，可以快速實現被檢傳感器接線;配備專業智能多通道精密測溫儀，兼容多廠家恒溫裝置，支持用戶低成本升級改造;提供最簡潔的系統組網方式，現場沒有大把的通信線、電源線、測試線，使整個實驗室非常整潔。現主要介紹該系統的組成及工作原理、校準/檢定步驟、不確定度評定以及系統的優勢。

關鍵詞：工作原理;步驟;校準;檢定;不確定度評定

中圖分類號：TH811? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）11-0005-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.11.002

0 ???引言

在工業生產過程中，為了能夠準確測量各個工藝點的實時溫度，必須使用測溫傳感器來進行溫度的測定，而熱電偶則是較為常見、使用率較高的一種測溫傳感器。熱電偶傳感器有多種優勢，如測溫準確率高、測量范圍大、價格相對便宜、使用成本低等[1]。以往熱電偶的檢定或校準需要人工進行輔助操作，比如在進行數據收集處理時，必須由人工來完成，而人工的參與往往會導致檢定時間較長，出錯率較高，檢定效率較低。ConST680智能溫度自動檢定系統是一種能夠進行自動檢定的裝置，該裝置不僅能夠滿足工業熱電偶檢定的需求，還可以極大程度降低人工操作出現問題的概率，具有多重優點。

1 ???系統組成及工作原理

ConST680智能溫度自動檢定系統作為一種現代化、自動化的工業裝置，涉及多種現代科學技術，比如計算機技術、電子技術等。如圖1所示，整個系統以計算機為主體，由智能多通道精密測溫儀、多通道信號掃描裝置、恒溫爐、專用軟件等組成。系統采用雙極比較法進行檢定/校準，將標準偶和被檢偶用鎳鉻絲進行捆綁后放入檢定爐內[1]，用計算機對恒溫爐進行爐溫控制，使爐溫達到檢定溫度點附近后，保溫一定時間，使熱電偶充分燒透達到平衡。智能多通道精密測溫儀按照檢定規程要求按順序讀取多通道信號掃描裝置各個通道的數據，然后對數據進行自動計算，對原始記錄進行存檔并生成檢定證書。

2 ???檢定步驟

2.1 ???捆扎

用鎳鉻絲將剛玉保護管捆扎在被檢偶的中間位置，確保每一個測量端都處于同一平面，確保標準熱電偶周圍均勻分布著被檢熱電偶，再把標準偶插入剛玉保護管內。

2.2 ???開啟硬件及裝爐

打開檢定爐、精密測溫儀開關，檢定前要先預熱0.5 h以上。將熱電偶束放入檢定爐之前，先在爐外布置好固定支架，把捆扎好的熱電偶束放在固定支架上，再將熱電偶插入到檢定爐指定深度，注意在位置調整的過程中，一定要確保熱電偶束與爐壁不接觸，完成后用石棉封住爐口。

2.3 ???參考端的處理

本系統使用的是參考端溫度自動補償方式，將熱電偶的參考端正負極與配套的銅導線對接并插入多通道信號掃描裝置對應的接口。系統將自動從多通道信號掃描裝置內置的溫度傳感器中讀取數據作為參考端溫度，然后根據檢定規程進行數據處理。

2.4 ???啟動軟件設置參數

開始啟動系統軟件，進行用戶登錄后，進入系統操作界面的人機交互操作系統。點擊首頁的“檢校中心”，選擇“溫度檢校” “新建檢校任務”。在彈出的窗口中錄入被檢偶的基本信息，如分度號、等級、偶絲直徑、送檢單位、生產廠商、送檢日期、有效日期等，如圖2所示，錄入完成后點擊“保存”，如需繼續添加，重復如上步驟。選擇檢校方案后點擊“開始檢?！?，如圖3所示，進入檢校界面，首先點擊“通道配置”，按照自身接線的通道進行設置，如圖4所示。設置完成后點擊“保存”，然后點擊“開始測試”，系統進入自動檢定狀態。

2.5 ???觀察檢定過程

系統進入自動檢定狀態后，進入升溫曲線圖畫面，在根據國家相關文件要求的檢定規程設計完成本系統的采樣順序之后，循環4次取平均值作為最終結果，如圖5所示。所有設定點檢定完成后，數據會自動保存。在數據中心可進行數據檢查處理、預覽、打印、導出等操作。

3 ???不確定度評定與分析

3.1 ???數學模型

使用該檢定系統，用一支一等標準鉑銠10-鉑標準熱電偶作為標準器對工作用熱電偶進行檢定，其不確定度分析采用下式[2]：

e被（t）=被（t）+S被（t）+e補

式中：e被（t）為被校熱電偶在某校準溫度點上的熱電動勢;e被（t）為被校熱電偶在某校準點附近測得的熱電動勢的平均值;e標證為標準熱電偶證書上某溫度點的熱電動勢;e標（t）為標準熱電偶在某校準點附近測得的熱電動勢算術平均值;S標（t）、S被（t）分別為標準熱電偶、被校熱電偶在某校準溫度點的微分熱電動勢;e補為補償導線修正值。

3.2 ???不確定度傳播公式

測量模型中各個輸入量的不確定度相互獨立，根據不確定度傳播律[2]：

uc 2=[c1u（e被）]2+[c2u（e標證）]2+[c3u（e標）]2+[c4u（e補）]2

其中，靈敏系數c1==1;c2==;c3==-;c4==1。

3.3 ???標準不確定度評定

3.3.1 ???輸入量e被（t）的標準不確定度u（e被）的評定

輸入量e被的標準不確定度u（e被），來源于被測熱電偶測量重復性、電測儀器測量誤差、爐內溫場的不均勻、轉換開關寄生電勢以及熱電偶參考端溫度不為0 ℃引入的不確定度[2]。

3.3.1.1 ???被測熱電偶測量重復性引入的標準不確定度u1

采用A類方法進行評定，用標準偶對被校廉金屬熱電偶（K型）在400 ℃共進行6組獨立重復測量。

sp1==0.75 μV

實際測量以4次測量平均值作為測量結果，故u1=sp1/≈0.38 μV。

為降低工作量，可以僅對400 ℃點進行重復測量，之所以能夠通過這種方式降低工作量，是因為不管是在哪一個溫度點，被測偶的重復情況都是大致相同的，沒有必要對每一個溫度點都進行重復測量。

3.3.1.2 ???電測儀器引入的標準不確定度u2

電測儀器采用智能多通道精密測溫儀，其測量值誤差為±（9 ppm FS+36 ppm RD），在區間內認為均勻分布，包含因子k=，以400、600、800 ℃為例計算，不確定度分別為0.85、1.03、1.21 μV。

3.3.1.3 ???爐內溫場不均勻引入的標準不確定度u3

采用B類方法進行評定。根據規程要求，在檢定過程中爐溫溫差小于0.5 ℃，相當于21.12 μV（400 ℃），按均勻分布考慮，包含因子k=，取半寬為10.56 μV，故標準不確定度為：

u3=10.56/≈6.10 μV

3.3.1.4 ???轉換開關寄生電勢引入的標準不確定度u4

轉換開關測量回路寄生熱電勢最大不超過0.5 μV，取其半寬區間，按均勻分布考慮：

u4=0.5/≈0.29 μV

3.3.1.5 ???參考端溫差引入的標準不確定度u5

經測量，被校熱電偶參考端不為0 ℃帶來的誤差不超過±4 μV（相當于±0.1 ℃），均勻分布，k=，則：

u5=4/≈2.31 μV

因此，輸入量e被的標準不確定度u（e被）合成為：

u（e被）=

以400、600、800 ℃為例計算，不確定度分別為6.59、6.62、6.65 μV。

3.3.2 ???輸入量e標證帶來的標準不確定度u（e標證）的評定

u（e標證）來源于一等標準熱電偶分度值的不確定度及其年不穩定性，采用B類方法進行評定[3]。

以400、600、800 ℃為例，經分析得出不確定度分別為2.4、2.5、2.9 μV。

3.3.3 ???輸入量e標（t）的標準不確定度u（e標）的評定

輸入量e標的標準不確定度u（e標），來源于標準熱電偶測量重復性u（e標1）、電測儀器測量誤差u（e標2）、轉換開關寄生電勢u（e標3）、熱電偶參考端溫度不為0 ℃引入的不確定度u（e標4）。

u（e標）=

以400、600、800 ℃為例計算，參照3.3.1的評定方法得出不確定度分別為0.77、0.80、0.83 μV。

3.3.4 ???補償導線引入的不確定度u（e補）

經測量，K型補償導線在30 ℃時，誤差為±0.2 ℃，按均勻分布考慮，包含因子k=，半寬度為7.89 μV，則標準不確定度為：

u（e補）=7.89/≈4.6 μV

系統不確定度來源較多，包括但不限于電測儀器自身的誤差、補償導線及熱電偶參考端溫度不為0 ℃引入的不確定度，具體如表1所示。

經分析，上述四項不確定度相互獨立，故合成標準不確定度uc 2=[c1u（e被）]2+[c2u（e標證）]2+[c3u（e標）]2+[c4u（e補）]2及擴展不確定度U（k=2）具體如表2所示。

分析結果滿足JJF 1637—2017《廉金屬熱電偶校準規范》[2]、JJG 141—2013《工作用貴金屬熱電偶》[3]的要求，可以開展檢定校準工作。

4 ???系統優勢

1）配備ConST685專業的測溫儀，相對傳統的電學儀表ConST685更加側重精密溫度測量特性，原生支持恒流源換向、正反信號測量、內置熱電偶冷端補償。采用一指按壓端子連接技術，無須任何工具，快速完成香蕉插頭、裸線、鏟形插片、MiniTC等各種形式的溫度傳感器接線。

2）ACal檢定/校準系統軟件是一款專業檢定、校準軟件，支持在網絡環境下運行，多用戶協同工作;該軟件的相關內容都是符合國家標準的，界面簡潔，操作風格統一，支持觸控操作，學習成本低，讓檢定人員能快速上手開始計量工作。

3）智能精密檢定爐配置了安全、高效的電加熱裝置，采用了氣隙隔熱技術，使檢定爐具備極佳的溫場穩定性和均勻性;采用高性能智能溫控儀，使控溫準確度、分辨率大幅提高。一體化熱電偶裝爐定位裝置使被檢偶無須捆扎就能快速夾緊，爐體快速滑動，標尺對位，均熱塊卡嵌固定，極大地提高了校準與檢定的效率。

4）恒溫源設備均具有三重高溫熱失控保護能力：V0阻燃等級、軟件超溫保護、獨立的硬件超溫房補。整個系統的多重保護機制讓溫度實驗室更加安全、可靠，可避免高溫熱失控。

5）所有設備均具備TFT觸摸屏，操作簡單便捷，支持一鍵U盤升級，存儲容量大，通信接口豐富。

5 ???結束語

ConST680智能溫度檢定系統具有非常多的優點，比如自動檢定，自動收集、處理、保存數據等，除了以上優點，相較于傳統的人工操作系統來說，ConST680智能溫度檢定系統提升了工作效率和準確度，避免了人為誤差，并減輕了檢定人員的勞動強度，可廣泛應用于計量、電力、石油、冶金、化工等部門。

[參考文獻]

[1] 旋石嬋，楊艷，鄭自成.CIMM-TCM-6熱電偶自動檢定系統在韶鋼的應用[J].科技視界，2013（10）：71.

[2] 廉金屬熱電偶校準規范：JJF 1637—2017[S].

[3] 工作用貴金屬熱電偶：JJG 141—2013[S].

收稿日期：2024-02-04

作者簡介：蘇清楠（1990—），男，福建泉州人，冶金自動化助理工程師，從事計量儀器的檢定和校準工作。