0引言

在工業(yè)生產(chǎn)過程中,為了能夠準(zhǔn)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(yōu)勢,如測溫準(zhǔn)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(zhǔn)需要人工進行輔助操作,比如在進行數(shù)據(jù)收集處理時,必須由人工來完成,而人工的參與往往會導(dǎo)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(tǒng)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(yè)熱電偶檢定的需求,還可以極大程度降低人工操作出現(xiàn)問題的概率,具有多重優(yōu)點。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

ConsT680智能溫度自動檢定系統(tǒng)作為一種現(xiàn)代化、自動化的工業(yè)裝置,涉及多種現(xiàn)代科學(xué)技術(shù),比如計算機技術(shù)、電子技術(shù)等。如圖1所示,整個系統(tǒng)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(tǒng)采用雙極比較法進行檢定/校準(zhǔn),將標(biāo)準(zhǔn)偶和被檢偶用鎳鉻絲進行捆綁后放入檢定爐內(nèi)^[1],用計算機對恒溫爐進行爐溫控制,使?fàn)t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(guī)程要求按順序讀取多通道信號掃描裝置各個通道的數(shù)據(jù),然后對數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)熱電偶周圍均勻分布著被檢熱電偶,再把標(biāo)準(zhǔn)偶插入剛玉保護管內(nèi)。

2.2 開啟硬件及裝爐

打開檢定爐、精密測溫儀開關(guān),檢定前要先預(yù)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(diào)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(tǒng)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(dǎo)線對接并插入多通道信號掃描裝置對應(yīng)的接口。系統(tǒng)將自動從多通道信號掃描裝置內(nèi)置的溫度傳感器中讀取數(shù)據(jù)作為參考端溫度,然后根據(jù)檢定規(guī)程進行數(shù)據(jù)處理。

2.4啟動軟件設(shè)置參數(shù)

開始啟動系統(tǒng)軟件,進行用戶登錄后,進入系統(tǒng)操作界面的人機交互操作系統(tǒng)。點擊首頁的“檢校中心”,選擇“溫度檢校”“新建檢校任務(wù)”。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(chǎn)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(xù)添加,重復(fù)如上步驟。選擇檢校方案后點擊“開始檢校”,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(shè)置,如圖4所示。設(shè) 置完成后點擊“保存”,然后點擊“開始測試”,系統(tǒng)進 入自動檢定狀態(tài)。

2.5觀察檢定過程

系統(tǒng)進入自動檢定狀態(tài)后,進入升溫曲線圖畫面,在根據(jù)國家相關(guān)文件要求的檢定規(guī)程設(shè)計完成本系統(tǒng)的采樣順序之后,循環(huán)4次取平均值作為最終結(jié)果,如圖5所示。所有設(shè)定點檢定完成后,數(shù)據(jù)會自動保存。在數(shù)據(jù)中心可進行數(shù)據(jù)檢查處理、預(yù)覽、打印、導(dǎo)出等操作。

3 不確定度評定與分析

3.1 數(shù)學(xué)模型

使用該檢定系統(tǒng),用一支一等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10- 鉑標(biāo)準(zhǔn)熱電偶作為標(biāo)準(zhǔn)器對工作用熱電偶進行檢定,其不確定度分析采用下式^[2]:

式中:e_被(t)為被校熱電偶在某校準(zhǔn)溫度點上的熱電動勢;e￣_被(t)為被校熱電偶在某校準(zhǔn)點附近測得的熱電動勢的平均值;e標(biāo)證為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶證書上某溫度點的熱電動勢;e￣標(biāo)(t)為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在某校準(zhǔn)點附近測得的熱電動勢算術(shù)平均值;S_標(biāo)(t)、S_被(t)分別為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶、被校熱電偶在某校準(zhǔn)溫度點的微分熱電動勢;e_補為補償導(dǎo)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(jù)不確定度傳播律^[2]:

3.3標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

3.3.1輸入量e￣_被(t)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e￣_被)的評定

輸入量e￣_被的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e￣_被),來源于被測熱電偶測量重復(fù)性、電測儀器測量誤差、爐內(nèi)溫場的不均勻、轉(zhuǎn)換開關(guān)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(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度_u1

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

實際測量以4次測量平均值作為測量結(jié)果,故

為降低工作量,可以僅對400℃點進行重復(fù)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(fù)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(fù)測量。

3.3.1.2電測儀器引入的標(biāo)準(zhǔn)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 ppmFS+36 ppmRD),在區(qū)間內(nèi)認為均勻分布,包含因子k=√ 3,以400、600、800℃為例計算,不確定度分別為0.85、1.03、1.21μV。

3.3.1.3爐內(nèi)溫場不均勻引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度_u3

采用B類方法進行評定。根據(jù)規(guī)程要求,在檢定過程中爐溫溫差小于0.5 ℃,相當(dāng)于21.12 μV(400 ℃),按均勻分布考慮,包含因子k=√ 3,取半寬為10.56 μV,故標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

u3=10.56/√ 3≈6.10μV

3.3.1.4轉(zhuǎn)換開關(guān)寄生電勢引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度_u4

轉(zhuǎn)換開關(guān)測量回路寄生熱電勢最大不超過0.5 μV,取其半寬區(qū)間,按均勻分布考慮:

3.3.1.5參考端溫差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度_u5

經(jīng)測量,被校熱電偶參考端不為0℃帶來的誤差不超過 ± 4μV(相當(dāng)于 ± 0.1℃),均勻分布 ,k=√3,則:

因此,輸入量e￣_被的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e￣_被)合成為:

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

3.3.2輸入量e_{標(biāo)證}帶來的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e_{標(biāo)證})的評定

u(e_{標(biāo)證})來源于一等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分度值的不確定度及其年不穩(wěn)定性,采用B類方法進行評定^[3]。

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

3.3.3 輸入量e￣_標(biāo)(t)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e￣_標(biāo))的評定

輸入量e￣_標(biāo) 的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e￣_標(biāo)),來源于標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測量重復(fù)性u(e￣_標(biāo)1)、電測儀器測量誤差u(e￣_標(biāo)2)、轉(zhuǎn)換開關(guān)寄生電勢u(e￣_標(biāo)3)、熱電偶參考端溫度不為0℃引入的不確定度u(e￣_標(biāo)4)。

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、0.83μV。

3.3.4補償導(dǎo)線引入的不確定度u(e_補)

經(jīng)測量,K型補償導(dǎo)線在30 ℃時,誤差為±0.2 ℃,

按均勻分布考慮,包含因子k=√ 3,半寬度為7.89 μV,則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

u(e_補)=7.89/√ 3≈4.6 μV

系統(tǒng)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(dǎo)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。

表1不確定度分析值

經(jīng)分析,上述四項不確定度相互獨立,故合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度U_c²=[c₁u(e￣_被)]²十[c₂u(e_{標(biāo)證})]²十[c₃u(e￣_被)]²十[c₄u(e_補)]²及擴展不確定度U(k=2)具體如表2所示。

表2擴展不確定度值

分析結(jié)果滿足JJF1637—2017《廉金屬熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范》^[2]、JJG141—2013《工作用貴金屬熱電偶》[3]的要求,可以開展檢定校準(zhǔn)工作。

4 系統(tǒng)優(yōu)勢

1)配備consT685專業(yè)的測溫儀,相對傳統(tǒng)的電學(xué)儀表consT685更加側(cè)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(nèi)置熱電偶冷端補 償。采用一指按壓端子連接技術(shù),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(zhǔn)系統(tǒng)軟件是一款專業(yè)檢定、校準(zhǔn)軟件,支持在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下運行,多用戶協(xié)同工作;該軟件的相關(guān)內(nèi)容都是符合國家標(biāo)準(zhǔn)的,界面簡潔,操作風(fēng)格統(tǒng)一,支持觸控操作,學(xué)習(xí)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(shù),使檢定爐具備極佳的溫場穩(wěn)定性和均勻性;采用高性能智能溫控儀,使控溫準(zhǔn)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(biāo)尺對位,均熱塊卡嵌固定,極大地提高了校準(zhǔn)與檢定的效率。

4)恒溫源設(shè)備均具有三重高溫?zé)崾Э乇Ｗo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(tǒng)的多重保護機制讓溫度實驗室更加安全、可靠,可避免高溫?zé)崾Э亍?

5)所有設(shè)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(jié)束語

ConsT680智能溫度檢定系統(tǒng)具有非常多的優(yōu)點,比如自動檢定, 自動收集、處理、保存數(shù)據(jù)等,除了 以上優(yōu)點,相較于傳統(tǒng)的人工操作系統(tǒng)來說, ConsT680智能溫度檢定系統(tǒng)提升了工作效率和準(zhǔn)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(yīng)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(tǒng)在韶鋼的應(yīng)用[J].科技視界,2013(10):71.

[2]廉金屬熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范:JJF 1637—2017[S].

[3]工作用貴金屬熱電偶:JJG 141—2013[S].

2024年第11期第2篇