热电偶测量及虚拟仪器的应用

时间：2022-11-02 百科知识版权反馈

【摘要】：将被检热电偶丝与参考铂丝焊在一起，与标准器进行比较，测量正极对铂与铂对负极的热电动势值。虚拟仪器进行热电偶测量，主要是根据大量标准的热电动势数据编制软件;根据系统建立的工作界面，可进行实际装置所用热电偶的精度测量。数字表是系统中的电测设备，其测量准确度应满足检定规程对电测设备的要求。对于K、N、E、J和T型的热电偶丝，一般检验温度点可按表2-3中的规定进行。

一、实验目的

1.了解热电偶测量常用的方法。

2.掌握一般金属热电偶丝热电动势的测量方法。

3.熟悉虚拟仪器在热电偶测量中的应用。

二、实验原理

1.热电偶测量

比较法:在恒定的温度下，用标准器的指示值与被检热电偶的指示值进行比较来确定被检热电偶的实际值。

(1)单极比较法

将被检热电偶丝与参考铂丝焊在一起，与标准器进行比较，测量正极对铂与铂对负极的热电动势值。其连接线路如图2-1所示。

图2-1 单级比较法测量廉金属热电偶丝示意图

(2)双极比较法

将同分度号、同种规格的正、负极偶丝焊接成热电偶，直接测量标准器与被检热电偶热电动势，连接线路如图2-2(a)、2-2(b)所示。

图2-2 双级比较法测量廉金属热电偶丝示意图

1—直流电源;2—多点转换开关;3—变阻器;4—毫安表;5—标准电阻;6—冰点器;7—酒精低温槽;8—热电偶参考端;9—热电偶测量端;10—标准电阻温度计

(3)同名级比较法

同名级比较法的连接线路如图2-3所示。

图2-3 同名级比较法测量贵金属热电偶丝示意图

注:①用双极比较法和同名级比较法的测量结果具有同等效力;②同名级比较法仅适用于标准热电偶与被检热电偶为同种材料的热电偶。

2.虚拟仪器应用

虚拟仪器进行热电偶测量，主要是根据大量标准的热电动势数据编制软件;根据系统建立的工作界面，可进行实际装置所用热电偶的精度测量。

三、实验仪器及设备

NM 01热工仪表手动检定系统由计算机、多通道手动转换开关、数字表、三线电阻转换器/接线台、检定炉、控温装置、水(油)槽、冰点器等组成，如图2-4所示。

系统计算机与数字表的连接采用RS232串行接口，与检定炉控温装置、恒温水槽、恒温油槽的连接采用RS485串行接口，若计算机本身不能满足要求，可采用PCI接口卡进行扩展。

数字表是系统中的电测设备，其测量准确度应满足检定规程对电测设备的要求。推荐采用6.5位以上分辨率数字表。

三线电阻转换器/接线台为前端接线台，用于连接标准热电偶(热电阻)、被检热电偶(热电阻)，可完成多通道被检、标准以及参考端传感器信号的切换功能，检定三线制热电阻的同时起到包含内引线转换作用，同时可以接收计算机的控温信号完成检定炉等恒温设备的温度控制。

图2-4 热电偶检定系统简图

四、实验步骤

1.使用热电偶检定炉进行检定时，检查检定炉控制系统接线良好，炉膛内无异物。需要使用恒温槽时，需要检查恒温槽内是否注满工作介质。

2.为保证操作安全性，恒温设备供电开关应处于关闭状态。

3.按照检定规程要求，检定热电偶时将放置标准热电偶的护套管(石英管或刚玉管)，与被检热电偶一起捆扎、装炉，检查捆扎后的标准热电偶、被检热电偶和控温电偶位置应处于炉中央位置;检定热电阻时将标准热电阻或标准热电阻的护套管和被检温度计放入恒温槽内，使标准热电阻和被检热电阻浸入液面深度一致，一般应大于等于30cm。

4.根据系统使用说明书要求，接好被检温度传感器的引线。然后放入标准器(放置在护套管内)，接好标准器的引线。

5.打开扫描器、数字表、恒温设备电源，当恒温设备采用手动控温时，手动设定恒温设备的设定温度，启动恒温设备升温过程。

6.启动计算机系统，通过桌面快捷方式启动“热电偶或热电阻检定程序”，选择“新检定项目”，进行“检定信息设置”。确认检定信息设置无误后，点击“确定”，进入检定界面。点击检定界面的“启动检定过程”按钮启动检定过程，系统进行设备检测、参考端测量，进入升温过程。

7.检定恒温设备温度达到规定温度时，进入控温保温过程。在升温和保温过程中，可以通过点击程序界面“测量通道扫描”按钮进行各被检通道传感器的测量扫描，检查接线是否正确。

8.当标准温度偏差(热电偶系统偏差要求不大于5℃，热电阻系统偏差要求不大于2℃)、每分钟控温稳定性(热电偶系统要求小于0.2℃/min，热电阻系统要求小于0.04℃/min)满足要求，并且满足恒温设备设置中的n分钟温度稳定性要求后，即开始扫描测量，进入扫描测量过程。

9.扫描测量完成，若扫描测量过程温度变化或被检结果超出规程允许，则根据设置提示是否重检。若选择重检，则程序重新进入保温控温过程。否则，进入下一温度点升温控温过程，同时在数据库中增加或更新相应数据库记录，并按当前日期形成项目组编号。项目组编号格式为“年+月+日+当日检定组序号”，如“2015030201”为2015年3月2日第一次检定记录。

10.所有温度点检定完成，自动导出检定数据到Excel进行数据记录、检定证书显示，根据需要打印检定数据记录表和检定证书。

11.关闭扫描器、数字表、恒温设备的电源。

12.退出检定程序，关闭计算机。

13.待恒温设备内温度降为规定温度时(检定炉炉温降至300℃以下)，先将标准器从恒温设备中取出，然后取出被检传感器。检定过程结束。

五、数据处理

双级比较法和单级比较法测量，采用下式将热电偶的热电动势修正到各检测点的热电动势。

式中，Et被为修正到检验温度点t时的热电动势值，m V;E't被为被检热电偶在检验温度点t时测得的热电动势值，m V;Et标为标准热电偶证书上检验温度点t时测得的热电动势值，m V;E't标为标准热电偶在检验温度点t时测得的热电动势值，m V;St标为标准热电偶在检验温度点t时测得的热电动势率(塞贝克系数μ)，V/℃;St被为被检热电偶在检验温度点t时测得的热电动势率(塞贝克系数μ)，V/℃。

若St标=St被，即为同种型号热电偶，则

被检热电偶热电动势Et被与通用热电偶分度表Et分的偏差值换算成的温差，即误差温度Δt可用下式计算:

式中，St为热电偶在此温度下的热电势率。由Δt可知被测热电偶是否合格。

铂铑10铂、铂铑13铂热电偶允许误差可参考表2-1。

表2-1 铂铑10铂、铂铑13铂热电偶允许误差

实验测试数据请记录于表2-2。

表2-2 测试数据记录表

六、注意事项

1.程序运行过程中，不要重复打开运行程序进行检定信息设置，以免造成程序运行错误。

2.控温过程中，当温度稳定性达到扫描测量要求的控温偏差却不能进入扫描测量过程时，应首先检查控温电偶和标准电偶位置(保证标准电偶和控温电偶都在炉中心位置)，然后采用恒温设备控温仪表偏差修正的方式进行修正。

3.控温过程中，若出现温度长时间存在较大波动(控温功率曲线可见较大毛刺)，先检查供电电源有无干扰现象(周围有无大的用电设备、高频冲击用电设备等)，然后采用PID自整定进行PID的重新整定。

4.检定炉炉膛内应保持清洁。热电偶装好后，炉口应用耐火材料封堵。