热电偶自动检定系统整体性能检测方法

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目前，二等标准铂铑10-铂(S型)热电偶及工作用热电偶自动检定系统(以下简称“系统”)已被电力行业的某些生产和科研部门用于(300℃～100℃)范围的热电偶检定或校准。为确保电力行业在该温区量值传递的准确统一及检测数据的可靠，用户对该系统进行验收、建标、复查认证、使用中核查，以及该系统软件版本升级后的性能确认是非常重要和必要的。为了便于开展上述工作，本文根据实际检测经验，总结出对系统整体性能的测试方法。
　　
　　一、测试条件
　　
　　(1)测试用仪器设备见表1。
　　
　　(2)测试时要求环境温度20℃±2℃，相对湿度45%～75%；空间电磁场、电源杂波、振动等均应符合仪器设备的使用要求。
　　
　　(3)测试采用双极比较法，在锌、铝、铜3点进行检测。用3支具有有效证书的标准S型热电偶和相应准确的电测仪器(设备)对系统进行测试。通过测试，获得表征系统控温恒温性能的有效数据、重复性检测结果、比对实验结果。若测试结果符合规范相应条款的要求，则说明该系统整体性能满足使用要求，否则，尖查找原因并重新测试。
　　
　　1.1测试前的准备工作
　　
　　测试前必须做好准备工作，检测接线见图1。
　　
　　准备工作具体步骤：
　　
　　(1)将所选用的3支热电偶捆扎成1束。其中用作标准和被检的2支热电偶的测量端用直径(0.1～0.3)mm的清洁铂丝捆扎在一起，另1支用作监测的热电偶测量端不要和上述2支热电偶的测量端捆在一起，但应尽量靠近。要求3支热电偶的测量端处于同一平面，测量端以外的电极不应相互接触。
　　
　　(2)捆扎好的热电偶束同轴置于温场检测合格的高温检定炉均匀温场的中心处。
　　
　　(3)热电偶应固定好，参考端与测量导线应接触良好，插入同一冰点恒温器内。
　　
　　(4)将监测用的热电偶测量线与电压信号测量仪表(或数字表)输入端相连，用来监测检测过程中炉温的变化。
　　
　　(5)标准热电偶和被检热电偶要与系统的标准、被检输入通道相连，可将装置的其它被检同名输入端短接，并与被检热电偶相连。
　　
　　(6)以上工作准备就绪后，即可根据系统的操作手册进行升温、检测。
　　
　　1.2监测控温、恒温和数据采集过程
　　
　　(1)记录升温过程中必要的信息，如系统计算机屏幕显示信息、监测用电压信号测量仪表(或数字表)的示值等。以上记录的时间间隔为(2～5)min。
　　
　　(2)当控温温度偏离设定检定点±5℃时，记录的时间间隔可取(30～60)s。此时系统处于恒温状态，这时的数据对于考核系统的控温恒温性能非常重要，因此应尽可能多地记录监测炉温波动的信息。
　　
　　(3)系统设有判断恒温与否的指标，当恒温温度达到指标要求时，系统会自动采集数据，该过程即为数据采集检测过程。此时只需连续记录监测热电偶的热电势值和采样的起止时间。
　　
　　(4)当系统判别采样过程中温度波动达到系统设定的指标要求时，就进入下一点的升温检定，否则重新恒温。这时应继续记录监测热电偶的热电势值和采样的起止时间，直至所有的设定点检测完毕。
　　
　　1.3计算
　　
　　在1.2中记录的数据是考核系统整体性能重要依据。下面给出具体的计算示例。表2为一次实际检测锌点的记录在案(节选)。
　　
　　采样结束后，根据记录的数据进行计算，并将计算结果填入设计好的表格中。采用倒推的方法计算表2的数据。根据规范要求，应满足如下指标：
　　
　　(1)采样过程中每分钟的温度波动△T1应不大于0.1℃。
　　
　　△T1可用式(1)计算：
　　
　　式中，Emax、Emin——采样开始到采样结束过程中热电偶的热电势最大值和最小值，mV；
　　
　　s——检测温度点的微分电势，μV/℃;
　　
　　t——采样过程所用时间，s。
　　
　　(2)采样前10min温度波动△T2应不大于0.5℃。△T2可用式(2)计算：
　　
　　△T2＝(E'max－E'min)×103/s(2)
　　
　　式中E'max、E'min——采样开始到采样前10min监测热电偶的热电势最大值和最小值，mV；
　　
　　s——检测温度点的微分电热，μV/℃;
　　
　　(3)实际炉温偏离设定温度点△T3应不大于±5℃。△T3由式(3)计算：
　　
　　△T3＝(Ep－Ezh)×103/s(3)
　　
　　式中Ep——采样过程中监测热电偶的热电势平均值，mv；
　　
　　Ezh——监测热电偶在该设定温度点的证书给出值，mv；
　　
　　s——检测温度点的微分电热，μV/℃。
　　
　　(4)控温恒温过程中温度波动可用式(1)和式(2)计算，并可根据计算的区段来取对应的参数，也可以通过实际监测值计算系统的温度显示误差。
　　
　　1.4系统检测的重复性误差
　　
　　系统整体性能的另一项指标是系统检测的重复性误差。按1.1～1.3的检测步骤要求，连续检测3次(炉温应降至室温)，将3次被检热电偶各个温度点的热电势值进行比较，其差值即为检测的重复性误差，最大差值应不大于3μV，否则应查找原因重新检测。
　　
　　1.5比对实验误差
　　
　　系统整体性能的第3项指标是比对实验误差。按1.1～1.3的步骤连续检测3次，将3次被检热电偶各温度点的热电热值与被检热电偶证书值相比较，差值即为比对实验误差，其最大差值应不大于5μV，否则应查找原因重新检测。
　　
　　二、测试中可能出现的问题及其消除方法
　　
　　2.1监测值突变或漂移
　　
　　在实际测试中发现捆扎方式(图2)对系统恒温性能有一定的影响。在采样阶段，用图2(a)捆扎方式时，监测用数字表显示值有时会被干扰，具体表现为个别监测值突变或漂移，其变化量约为几微状。
　　
　　经多次试验分析认为，若采用图2(a)捆扎方式，采样过程中监测用的数字表通过监测热电偶的测量端，与系统的数据采集回路形成一闭合回路，回路中电测仪表产生的相互干扰可造成小信号电压显示值的突变或漂移；采用图2(b)方式，监测回路与系统回路是独立的，所以能减少或消除回路中的干扰，测试结果亦是可靠的。因此，应采用图2(b)捆扎方式。
　　
　　2.2接地与共地
　　
　　在系统参数已经调整好的情况下，无论在哪个检测点，恒温过程中有时会出现控温曲线不光滑或微小的不等幅波动。该现象一般发生在系统的恒温过程，经反复查找和多次试验，其为系统接地不良或共地不当所致，造成系统的功率调节器输出电压频繁调节。
　　
　　具体解决方法：将检定炉及稳压电源等功率较大的设备与系统的控制及数据采集回路等电子设备分别可靠接地但不共地，以减少大功率交流设备对直流小信号测量设备的影响。
　　
　　2.3恒温判别条件
　　
　　系统出厂的恒温判别条件已设置好，但在实际测试中经常会发现不是每一次检测时炉温都能控制得恰到好处，尤其是采用控温热电偶巾炉壁的控温方式，也并非条件越严格、恒温时间越长，控温效果就越好；相反，只要恒温过程中每分钟的温度波动△T1与10min的温度波动△T2判断条件同步，就能达到较好的恒温效果。经过实际测试认为，出现△T1与△T2不同步的原因是电阻空气炉本身的升温恒温惯性较大,当恒温时间达到(7～8)min时,炉内外的传热基本均。若将输出控制量仍然维持在原出厂时的设定值，炉内温度就会缓慢地上升或下降，这种变化虽然能满足采样前的判断条件，但采样过程每分钟的温度波动却超出了允许值。
　　
　　解决此问题的具体方法：重新调整恒温判别条件，逐段逼近，使其在保证满足指标要求的前提下，尽量缩短恒温时间，尤其对采样前温度波动的判别，应快速而准确，以避开调节器的下一次调整，达到较理想的控温效果。
　　
　　调整前后的采样条件见表3，改变恒温判断条件的2次实际检测结果见表4。表4结果是在同一检测系统、用相同的监测设备、相同的PID参数、不同的采样判断条件下得出的。从表3、表4可见，调整前的参数虽然比调整后的严格，恒定的时间也相对长一些，但实际采样结果却超出规范允许值，而用调整后的参数测试的结果符合规范要求。显然，参数调整后的结果较为理想。

　　
　　三、结语
　　
　　由于温度量值本身会受许多不确定因素的影响，且热电偶自动检定系统仅是通过计算机控制的，目前还不能达到完全智能化。所以，此类系统若能同时满足本文所述各项指标的要求，就可确认其整体性能符合检定二等标准热电偶的要求。
　　
　　因此，使用此类系统的用户在对系统进行验收、建标、复查认证、使用中核查，以及该系统软件版本升级后的性能确认，均可参照本方法。