熱電偶檢定爐溫度場(chǎng)測(cè)試方法的探討

摘要:對(duì)熱電偶檢定爐溫度場(chǎng)的測(cè)試方法進(jìn)行了探討，并對(duì)測(cè)試中應(yīng)注意的細(xì)節(jié)問(wèn)題進(jìn)行了討論。
0引言
　　任何測(cè)量結(jié)果都是與測(cè)量方法有關(guān)的，當(dāng)測(cè)量方法不同時(shí)，測(cè)量結(jié)果可能不同。因而選擇正確的測(cè)量方法尤為重要，熱電偶檢定爐溫度場(chǎng)的測(cè)試也不例外。熱電偶檢定爐的溫場(chǎng)測(cè)試項(xiàng)目包括軸向溫差和徑向溫差，測(cè)試中如何消除溫場(chǎng)波動(dòng)及兩支測(cè)試熱電偶熱電特性差異對(duì)測(cè)試結(jié)果造成的影響是獲得準(zhǔn)確的溫場(chǎng)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。
　　本文針對(duì)JJF1184-2007熱電偶檢定爐溫場(chǎng)測(cè)試技術(shù)規(guī)范》中微差法進(jìn)行測(cè)試的基本原理和數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ).上提出對(duì)徑向溫場(chǎng)測(cè)試方法的改進(jìn)意見(jiàn)。
1微差法測(cè)量原理
　　采用微差法進(jìn)行熱電偶檢定爐溫場(chǎng)測(cè)試時(shí)，兩只熱電偶的負(fù)極短接，正極分別接入測(cè)試儀表的正極和負(fù)極，其等效電路如圖1所示。
 
　　根據(jù)電子線路中的環(huán)路定律可知，此時(shí)測(cè)試儀表.讀數(shù)值U=UA-UB,其中Us為熱電偶A的熱電勢(shì)值,UB為熱電偶B的熱電勢(shì)值。
　　用微差法測(cè)試熱電偶檢定爐的優(yōu)點(diǎn)是:測(cè)量時(shí)相當(dāng)于同時(shí)讀取了熱電偶A和熱電偶B的讀數(shù)，所以讀數(shù)過(guò)程中溫場(chǎng)波動(dòng)對(duì)兩支測(cè)試熱電偶的影響是相同的。
　　由于微差法讀取的是電偶A和電偶B的差值，因此在測(cè):量結(jié)果中可以直接消除溫場(chǎng)波動(dòng)的影響。然而在使用微差法測(cè)量時(shí)由于熱電偶A和熱電偶B之間存.在熱電特性差異，所以在讀取的兩只熱電偶的差值中帶有由熱電偶A和熱電偶B之間熱電特性引入的測(cè)量誤差。如果不消除這種差異，對(duì)結(jié)果會(huì)有較大的影響。
　　例如:標(biāo)準(zhǔn)證書(shū)上給出熱電偶A在1000℃的電勢(shì)值為10.584mV,熱電偶B的電勢(shì)值為10.580mV。假如測(cè)試過(guò)程中兩個(gè)位置點(diǎn)的實(shí)際溫度完全相同正好為1000℃,那么理論上測(cè)試儀表的讀數(shù)應(yīng)該為0mV,但由于兩支熱電偶熱電特性的差異，實(shí)際讀數(shù)可能不為0mV，我們稱該值為e。因此，在使用微差法進(jìn)行熱電偶檢定爐溫場(chǎng)測(cè)試時(shí)，還應(yīng)注意選擇正確的計(jì)算和測(cè)試方法，保證消除由兩只熱電偶熱電特性差異對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響。
2軸向溫場(chǎng)的測(cè)試
　　測(cè)試軸向溫度場(chǎng)時(shí)，一支熱電偶的測(cè)量端放置在檢定爐中心位置固定不動(dòng)，另--支熱電偶的測(cè)量端沿軸向在距離爐子中心點(diǎn)±5cm的范圍內(nèi)每間隔1cm移動(dòng)。使用微差法測(cè)量時(shí)示意圖見(jiàn)圖2。
 
　　在軸向溫度場(chǎng)測(cè)量過(guò)程中，當(dāng)兩只熱電偶的測(cè)量端都處于爐子中心點(diǎn)位置“0”時(shí)見(jiàn)圖2)，測(cè)得的熱電勢(shì)差值△E軸00實(shí)際上是兩只熱電偶之間的熱電特性差異引入的電勢(shì)差值。
　　按照J(rèn)JF1184-2007熱電偶檢定爐溫場(chǎng)測(cè)試技術(shù)規(guī)范》中給出的數(shù)據(jù)處理方法，移動(dòng)熱電偶在任一點(diǎn)相對(duì)于“0”點(diǎn)的熱電動(dòng)勢(shì)的差值按照公式()計(jì)算:
 
　　式中:△`E軸(t)io為移動(dòng)熱電偶在任一點(diǎn)相對(duì)于“0”點(diǎn)的熱電動(dòng)勢(shì)的差值;△`E軸(t)i為移動(dòng)熱電偶與固定熱電偶在任一點(diǎn)的熱電勢(shì)差值的算術(shù)平均值;△`E軸(t)0為移動(dòng)熱電偶與固定熱電偶在“0”點(diǎn)的熱電勢(shì)差值的算術(shù)平均值。
　　從公式中可以看出，移動(dòng)熱電偶在任意點(diǎn)相對(duì)于“0”點(diǎn)的熱電動(dòng)勢(shì)差值中△`E軸(t)io消除了由兩只熱電偶之間熱電特性差異引入的電勢(shì)差值△`E軸(t)o對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
3徑向溫場(chǎng)的測(cè)試
　　貴金屬熱電偶檢定時(shí)是將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被檢熱電偶的測(cè)量端捆扎在一起，形成直徑較小的熱電偶束,即形成-一個(gè)“點(diǎn)”的溫度，可以不考慮檢定爐徑向溫度場(chǎng)的影響。而廉金屬熱電偶檢定時(shí)，不能將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被檢熱電偶的測(cè)量端直接捆扎在-起，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶需要石英管的保護(hù)，被檢熱電偶的直徑較大，整體捆扎后形成的熱電偶束的直徑約1~3cm,所以對(duì)于廉金屬熱電偶檢定爐必須考慮徑向溫度場(chǎng)給標(biāo)準(zhǔn)和被檢熱電偶測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的影響。
 
　　圖3是徑向溫度場(chǎng)測(cè)試示意圖。測(cè)試時(shí)，中心測(cè)試定位管中插入一支熱電偶作為固定熱電偶，徑向測(cè)試定位管中插入一支熱電偶作為移動(dòng)熱電偶。在徑向溫場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中，關(guān)鍵是如何獲得兩只熱電偶之間熱電特性差異引入的電勢(shì)差值△`E軸(t)o,下面分別對(duì)JJF1184-2007和本文提出的徑向溫場(chǎng)測(cè)試方法進(jìn)行討論。
3.1規(guī)范給出的測(cè)試方法.
第一步:不同位置熱電動(dòng)勢(shì)差值△`E徑(t)i;的測(cè)量。
　　將固定熱電偶TI插入中心測(cè)試定位管中置于檢定爐軸線的幾何中心位置不動(dòng)，移動(dòng)熱電偶T2置于徑向測(cè)試定位管軸線的幾何中心位置。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)移動(dòng)熱電偶T2，使其分別在.上、右、下、左的位置.上進(jìn)行熱電動(dòng)勢(shì)差值△`E順(t)i:的測(cè)量。然后逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)移動(dòng)熱電偶T2，使其分別在左、下、右、上的位置進(jìn)行熱電動(dòng)勢(shì)差值△`E逆(t)i的測(cè)量。將同一位置上的兩次測(cè)量值△`E順(t)i:與△`E逆(t)i相加，取平均值作為該位置上熱電動(dòng)勢(shì)差值△`E徑(t)i0。不同位置熱電動(dòng)勢(shì)差值按公式(2)計(jì)算。
△`E徑(t)i=(△`E順(t)i+△`E徑(t)i)/2。(2)
　　以上側(cè)位置為例:順時(shí)針旋轉(zhuǎn)移動(dòng)熱電偶時(shí)，上側(cè)位置熱電偶與中心位置熱電偶實(shí)際溫差對(duì)應(yīng)的電勢(shì)值為△`E順(t)i=E上+e，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)移動(dòng)熱電偶時(shí)，上側(cè)位置熱電偶與中心位置熱電偶實(shí)際溫差對(duì)應(yīng)的電勢(shì)值為△`E逆(t)i=E上+e。則有
△`E逆(t)i=（△E順(t)i+△E逆(t)i/2
=（E上+e+E上+e）/2
=E上+e（3） 
第二步:“0”點(diǎn)位置熱電勢(shì)差值△`E徑(t)0的測(cè)量。
　　“0”’點(diǎn)位置熱電勢(shì)差值按照規(guī)范要求在左側(cè)位置進(jìn)行測(cè)量。將固定熱電偶T1插人中心測(cè)試定位管中置于檢定爐軸線的幾何中心位置不動(dòng)，移動(dòng)熱電偶T2置于徑向測(cè)試定位管軸線的幾何中心位置。在左側(cè)位置上進(jìn)行熱電動(dòng)勢(shì)差值測(cè)量，記為△E(t)左1;然后將旋轉(zhuǎn)滑塊繞滑塊中心旋轉(zhuǎn)180°，再次進(jìn)行左側(cè)位置上熱電動(dòng)勢(shì)差值測(cè)量，記為△E(t)左2,將兩次測(cè)量值的平均值作為徑向溫差測(cè)量時(shí)由兩只熱電偶之間熱電特性差異引入的電勢(shì)差值△`E徑(t)0則有
△`E徑(t)0=(△E(t)左1+△E(t)左2)（4）
　　滑塊旋轉(zhuǎn)前，左側(cè)位置熱電偶與中心位置熱電偶實(shí)際溫差對(duì)應(yīng)的電勢(shì)差值為△E(t)左1=E左+e。旋轉(zhuǎn)滑塊繞滑塊中心旋轉(zhuǎn)180°后，左側(cè)位置熱電偶與中心位置熱電偶實(shí)際溫差對(duì)應(yīng)的電勢(shì)差值為△E(t)左2=-E左+e(e為兩只測(cè)試熱電偶熱電特性差異引人的電勢(shì)差值)，則有
△`E徑(t)0=(△E(t)左1+△E(t)2)/2
=(E左+e-E左+e)/2(5)
=e
　　按照J(rèn)JF1184-2007《熱電偶檢定爐溫場(chǎng)測(cè)試技術(shù)(t)規(guī)范》中給出的數(shù)據(jù)處理方法，移動(dòng)熱電偶在任一點(diǎn)(t)相對(duì)于“0”點(diǎn)的熱電動(dòng)勢(shì)差值△E徑(t)i0按公式(6)(t)計(jì)算:.
△E徑(t)i0=△`E徑(t)i-△`E徑(t)0
=E上+e-e(6)
=E上
　　由此可以看出通過(guò)測(cè)量和計(jì)算可以消除掉由兩只熱電偶熱電特性不一致引人的誤差e。
3.2簡(jiǎn)化的測(cè)試方法
　　在實(shí)際工作中我們對(duì)徑向溫差的測(cè)試方法進(jìn)行了簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后只需一步測(cè)量就可以得到消除了e的徑向溫場(chǎng)值。
　　首先將固定熱電偶T1置于中心定位測(cè)試管中，移動(dòng)熱電偶T2置于徑向定位測(cè)試管中，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)移動(dòng)熱電偶T2,使其分別在左、上、右、下的位置上進(jìn)行熱電動(dòng)勢(shì)差值的測(cè)量，記為△E徑(t)i旋轉(zhuǎn)前，則有
△E(t)i旋轉(zhuǎn)前=E(t)i+e(7)
　　然后將旋轉(zhuǎn)滑塊旋轉(zhuǎn)180°，則兩只測(cè)試熱電偶交換位置，即熱電偶T2置于檢定爐軸線的幾何中心的位置，在中心定位測(cè)試管中作為固定熱電偶，熱電偶T1置于徑向定位測(cè)試管中作為移動(dòng)熱電偶。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)移動(dòng)熱電偶T1,使其分別在左、上、右、下的位置上進(jìn)行熱電動(dòng)勢(shì)差值的測(cè)量，記為△E徑(t)i旋轉(zhuǎn)后，則有
△E徑(t)i=-E(t)i+e(8)
　　式中:E(t)i為移動(dòng)熱電偶和固定熱電偶在任一位置實(shí)測(cè)溫差對(duì)應(yīng)的電勢(shì)值;e為移動(dòng)熱電偶和固定熱電偶熱電特性差異引人的電勢(shì)差值。
　　測(cè)量完成后將同一位置上的兩次測(cè)量值相減除2即為該位置上熱電動(dòng)勢(shì)差值△E徑(t)i0;
△E徑(t)i0=(△E徑(t)i旋轉(zhuǎn)前
=△E徑(t)i旋轉(zhuǎn)后)/2
=(E(t)i+e+E(t)i-e)/2(9)
=E(t)i;
　　由式(9)可以看出，通過(guò)上述測(cè)試方法和計(jì)算公式，同樣可以消除兩只熱電偶之間熱電特性引人的電勢(shì)差值e。
4結(jié)束語(yǔ)
　　通過(guò)對(duì)以，上兩種測(cè)試方法分析和比較可以看出，改進(jìn)后的測(cè)試方法和計(jì)算方法較規(guī)范中給出的測(cè)試方法更加簡(jiǎn)便易行，采用這種方法對(duì)熱電偶檢定爐進(jìn)行溫場(chǎng)測(cè)試時(shí)可以減少測(cè)量次數(shù)，提高工作效率。熱電偶檢定爐溫度場(chǎng)的測(cè)量方法看似很簡(jiǎn)單，但是如果在測(cè)量時(shí)不注意細(xì)節(jié)將會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)影響。