高精度熱電偶測溫儀校準方法探討
高精度熱電偶測溫儀大都帶有冷端補償系統(tǒng),我們采用“直接尋找補償值”方法來消除補償導線引起的誤差。以性能穩(wěn)定的直流電壓發(fā)生器或熱電偶溫度校驗儀作為源，以高精度數(shù)字多用表作為主標準器進行監(jiān)測，從而對高精度熱電偶測溫儀進行校準。同時，對冷端補償進行單獨的計量，更加準確地校準高精度熱電偶測溫儀。
一、校準方案
1.校準原理和典型線路圖
性能穩(wěn)定的直流電壓發(fā)生器或熱電偶溫度校驗儀通過數(shù)字按鍵，輸入熱電偶測溫儀所需校準溫度點熱電勢。該模擬熱電勢值由高精度數(shù)字多用表作為主標準器進行監(jiān)測，以調節(jié)熱電偶溫度校驗儀輸出熱電勢；此時被校高精度熱電偶測溫儀再通過放大、濾波、A/D轉換采樣（或在A/D芯片進行放大、濾波和A/D轉換采樣）獲取信號的數(shù)字信息，zui后通過單片機（或嵌入式系統(tǒng)）將采集所得數(shù)字信息通過軟件計算成對應的溫度值。同時，冷端測量電路自動測量的冷端溫度通過補償導線在測量端與冰點端的溫差所產生的補償熱電勢進行補償。校準典型線路圖如圖1所示。
圖1 校準典型線路圖
2.冷端補償
（1）冷端補償必要性
由于冷端補償法的使用點多面廣，與熱電偶配用的溫度二次儀表大都帶有冷端補償系統(tǒng)，對這類儀表的檢測是溫度二次儀表檢測的一個重要部分。參照JJG617-1996《數(shù)字溫度指示調節(jié)儀》檢定規(guī)程的規(guī)定，對與熱電偶配用的數(shù)字溫度二次儀表的基本誤差的檢測，采用的方法是將被檢儀表連接補償導線插入冰點器，再用銅導線與信號源連接,輸入直流電壓信號來測量儀表的誤差。考慮到以下幾個方面:補償導線盡管有20℃時的修正值，其修正值本身的擴展不確定度U=0.3℃（k=2）；由于材料氧化、彎折而引起應力變化等會帶來性能的漸變及熱電偶的不穩(wěn)定；溫度差異帶來的修正值的差異，冷端溫度并不一定是20℃，而修正值一律采用20℃時的修正數(shù)據(jù)，存在一定誤差。采用直接尋找補償值，來消除補償導線引入的誤差。
（2）冷端補償方式
為了減少補償導線所帶來的誤差，嘗試采用能在20℃附近調溫的恒溫槽來代替冰點器，該恒溫槽溫度設定偏差要求不高，均勻性必須保證不大于0.10℃。將恒溫槽的溫度設定為T0=20℃，補償導線一端短接插入恒溫槽，另一端直接接入被檢儀表（高精度數(shù)字多用表儀表）。如被檢儀表有零位校正功能則先校正零位。待被檢儀表冷端恒定后，測量此時的電勢值Δe，按式（1）將其換算成溫度值ΔT:
式中: ——熱電偶在20℃時的微分電勢值。
將恒溫槽溫度調整為T1，待槽溫恒定后，再測電勢值Δe，重復以上步驟，直到ΔT盡可能接近零，即恒溫槽的溫度與被檢儀表的冷端溫度一致（一般取ΔT<0.10℃），此時用被檢儀表讀取示值td。另用標準鉑電阻讀取恒溫槽溫度t0。按檢定規(guī)程的規(guī)定方法對被檢儀表進行檢測，只是用Δe來代替原來補償導線20℃時的修正值，這樣可以提高標準裝置的準確度，從而實現(xiàn)對高準確度的配熱電偶測溫儀表的檢定。
（3）冷端補償綜合誤差
同時也可以地測出被檢儀表的冷端補償誤差Δt補:
式中:Δt補——被校高精度熱電偶測溫儀的冷端補償誤差；td——由被檢熱電偶測溫儀讀取的溫度指示值；t0——由標準鉑電阻讀取恒溫槽溫度值；Δe——補償導線實際溫度下的修正值； ——熱電偶在20℃時的微分電勢值。
3.校準計算
性能穩(wěn)定的直流電壓發(fā)生器或熱電偶溫度校驗儀、高精度數(shù)字多用表、高精度熱電偶測溫儀一起在校準環(huán)境條件下恒溫2h以上，并通電預熱30min。其中，高精度數(shù)字多用表測量前需自校清零或手動清零。而對于零點和量程可調的溫度校驗儀，應按規(guī)定進行調校，校準過程中不允許再做調校。校準時采用高精度數(shù)字溫度計（如自校式鉑電阻溫度計等）進行監(jiān)測，并做好冰點器恒溫工作，取校準開始和結束兩次平均值計算零點修正值。計算公式（以輸入基準法為例）:
式中:t——被校熱電偶測溫儀顯示的溫度值；ts——標準儀器輸入電量值所對應的被檢校溫度值；±b——被校熱電偶測溫儀的分辨力； ——被校點ti的微分熱電勢；Δe——補償導線實際溫度下的修正值。
二、驗證
由上述分析不難發(fā)現(xiàn),校準中zui大的不確定度分量就是補償導線所帶來的不確定度。恒溫槽溫度與被檢儀表冷端的誤差一般控制在0.10℃以內，同時補償導線的修正值又是當場測量的，因此，補償導線采用修正值后,其帶來的不確定度影響zui小。現(xiàn)采用高精度數(shù)字多用表HP3458A（8位半）進行監(jiān)測，以性能穩(wěn)定的直流電壓發(fā)生器或熱電偶溫度校驗儀為源，配補償導線，按本文介紹的校準方案制成校準裝置。以美國FLUKE724溫度校驗儀作為被校儀表（本文以校準其K分度熱電偶測量功能為例），再與多功能校驗儀5520A對FLUKE724溫度校驗儀的校準結果進行比對（包含冷端補償誤差影響），二者zui大示值誤差為0.1℃，比對結果小于FLUKE726溫度校驗儀允差的1/3，結果滿意。
三、結束語
本文解決了高精度、多功能、智能化儀表，在無需配置價格比較昂貴的多功能校驗儀的基礎上測溫的問題。并且直接尋找補償值，充分考慮補償導線的誤差和冷端補償?shù)臋z測。在開展此類項目的檢測中獲得了較好的校準效果。
作者單位【廣州市計量檢測技術研究院 張賀麗】
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