工業(yè)熱電偶測量不確定度評定及防范

李思平淮南礦業(yè)集團(tuán)電力公司，安徽 淮南 232072

0 引言

工業(yè)熱電偶是測量被測介質(zhì)溫度的一種重要元件，是通過兩種不同導(dǎo)體間在兩端不同溫度下產(chǎn) 生熱電勢，由補(bǔ)償電纜傳送到顯示儀表，顯示儀表根據(jù)電勢大小最終顯示出被測溫度。工業(yè)熱電偶測量不確定度評定的要素就是由這個(gè)過程中各個(gè)環(huán)節(jié)所影響的量。在工業(yè)熱電偶測量中我們盡可能將這些因素通過各種措施控制在一定的范圍內(nèi)，使得測量結(jié)果達(dá)到或接近測量真實(shí)值。

1 工業(yè)熱電偶測量不確定度評定

根據(jù)工業(yè)熱電偶測量過程建立數(shù)學(xué)模型：

式中：e 為工業(yè)熱電偶測量的溫度誤差；

e1為工業(yè)熱電偶的允許誤差；

e2為二次儀表或 DCS 通道測量偏差；

e3為冷端溫度補(bǔ)償偏差；

e4為冷端溫度補(bǔ)償通道偏差；

e5為補(bǔ)償導(dǎo)線對測量過程的影響。

由于工業(yè)熱電偶測量過程中測量介質(zhì)的變化，對重復(fù)性測量無法進(jìn)行，因此不考慮 A 類不確定度的評定。

上述5個(gè)屬于 B 類測量不確定評定要素。若以測量范圍（0℃～600℃）為例進(jìn)行合成不確定度的 評定。

3）冷端補(bǔ)償溫度偏差（0.3+0.006t），標(biāo)準(zhǔn)偏差為

上述各項(xiàng)不確定因素中已包含置信概率取 95%，K95≈2。因此擴(kuò)展不確定度 U95=Uc=3.54℃。

其它工業(yè)熱電偶測量不確定度評定類似，區(qū)別就是在于測量范圍不同，相對各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)偏差不同 而已。

2 工業(yè)熱電偶測量實(shí)例分析及防范

工業(yè)熱電偶在測量中，受到測量系統(tǒng)、熱電偶本身等因素的作用，存在測量誤差，我們可以減少測量系統(tǒng)外因素對測量帶來的影響。下面用實(shí)際工作中遇到的一實(shí)例來分析工業(yè)熱電偶測量不確定度的產(chǎn)生及其防范對策。

2008年淮南礦業(yè)集團(tuán)電力公司新莊孜電廠#2機(jī)組在線運(yùn)行記錄顯示，#2機(jī)#2瓦溫測量值偏低。在同年#2機(jī)C修中，把#2瓦溫進(jìn)行拆除，在檢定爐進(jìn)行校驗(yàn)，溫度偏差為-0.4℃，在熱電偶的允許誤差范圍之內(nèi)。對熱電偶的航空插頭進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)兩側(cè)的航空插頭補(bǔ)償導(dǎo)線焊接不匹配（見圖1）。#2 瓦溫是有四支熱電偶元件組成，圖1中元件側(cè)表示接元件的航空插頭，補(bǔ)償導(dǎo)線側(cè)表示接補(bǔ)償導(dǎo)線并遠(yuǎn)傳，實(shí)際接線中兩側(cè)的正負(fù)補(bǔ)償導(dǎo)線正好接反。

#2瓦溫航空插頭兩側(cè)補(bǔ)償導(dǎo)線接反后，為什么在檢定時(shí)未能發(fā)現(xiàn)，而在測量中卻出現(xiàn)溫度偏低現(xiàn)象呢。而補(bǔ)償導(dǎo)線接反，對影響測量不確定度程度有多少。

圖1

再把#2瓦熱電偶簡單畫成圖2，其中虛線框表示航空插頭，其中 E（t）為熱電偶測量端電勢，即實(shí)際溫度對應(yīng)的電勢，E（A）側(cè)為熱電偶元件焊接處，E（B）側(cè)為補(bǔ)償導(dǎo)線焊接處，E（tc）側(cè)為冷端補(bǔ)償并顯示。在正負(fù)極性焊接沒有錯(cuò)誤，且E（tc）側(cè)溫度保持不變的情況下，分析熱電偶測溫顯示的變化。

圖2

第一種情況是當(dāng) E（A）側(cè)和 E（B）側(cè)溫度相同，即 EB=EA，也就是航空插頭的兩端溫度相同，根據(jù)熱電偶的中間導(dǎo)體定律，

無論怎樣變化，顯示溫度就是 E（t）所對應(yīng)的溫度值 t（熱電偶測量誤差是固有誤差不予考慮，下 同），在計(jì)量室內(nèi)檢定熱電偶就是在這種情況下進(jìn)行，也是屬于正常檢測狀態(tài)。

第二種情況是當(dāng)E（t，A）側(cè)和E（t，B）側(cè)溫度不相同，即EB≠EA，此時(shí)就不滿足熱電偶的中間導(dǎo)體定律，

（1）式與（2）式比較，明顯多了這一項(xiàng)（EB- EA），當(dāng)A側(cè)溫度高于 B 側(cè)溫度時(shí) ，（EB- EA）為負(fù)值 ，顯然 E（t，B）≥ E（t，A），E（tc）側(cè)溫度顯示就偏高。由于#2 瓦溫裝在汽輪機(jī)缸壁內(nèi)外的兩側(cè)，內(nèi)側(cè)（元件側(cè)）溫度高于外側(cè)（補(bǔ)償導(dǎo)線側(cè)），此時(shí)測得的溫度就高于其實(shí)際溫度值，兩側(cè)溫度差越大，溫度顯示偏高值就越大。

下面再討論 B 側(cè)補(bǔ)償導(dǎo)線極性接反，即圖二中的紅線與黑線進(jìn)行對換，此時(shí)溫度顯示值的變化 情況。同樣分兩種情況進(jìn)行分析。

第一種情況是當(dāng) E（A）側(cè)和 E（B）側(cè)溫度相同，即EB=EA，也就是航空插頭的兩端溫度相同，根據(jù)熱電偶的中間導(dǎo)體定律，還是滿足

（3）式與（4）式比較，明顯（3）式值小于（4）式值，顯示溫度就比正常情況下偏低，當(dāng) B側(cè)溫度越高，溫度偏差值就越大。

第二種情況是當(dāng) E（t，A）側(cè)和 E（t，B）側(cè)溫度不相同 ，即EB≠EA，此時(shí)就不滿足熱電偶的中間導(dǎo)體定律，

其它與上一種情況相同，當(dāng) A 側(cè)溫度高于 B 側(cè)溫度時(shí)，（EB- EA）為負(fù)值 ，顯然 E（t，B）≥ E（t，A），E（tc）側(cè)溫度顯示就偏高。因此在補(bǔ)償導(dǎo)線極性接反的情況下，兩種情況可以互相抵消一部分溫度偏差值。實(shí)際上E（tc）側(cè)溫度遠(yuǎn)低于B側(cè)溫度，而A、B側(cè)溫度可以近似相等，因此總體而言，顯示溫度比實(shí)際溫度要低。

在計(jì)量室內(nèi)檢定時(shí)無法辨別出溫度偏差，主要原因是E（tc）側(cè)溫度、A 側(cè)溫度、B 側(cè)溫度三者相 同，因此無法測量出極性接反帶來的偏差，只有在航空插頭處 A、B 兩側(cè)加上不同的溫度才能辨別出導(dǎo)線焊接的正確性。

這個(gè)實(shí)例擴(kuò)大了補(bǔ)償導(dǎo)線對測量結(jié)果的影響，給測量帶來附加誤差，使得顯示值的偏差范圍超 過測量不確定度的范圍。我們對采用中間補(bǔ)償導(dǎo)線轉(zhuǎn)接的熱電偶測量系統(tǒng)，在安裝前必須核對補(bǔ)償 導(dǎo)線的正負(fù)極。如果在機(jī)組檢修時(shí)需要對元件更換，建議把整個(gè)航空插頭進(jìn)行更換，以免各個(gè)航空插頭接線差異而影響到測量的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

工業(yè)熱電偶測量過程中一般不會(huì)超過測量不確定度評定值，如果超過這個(gè)值，就說明在這個(gè)測 量過程中有附加因素存在，我們必須加以分析，并采取措施去加以防范，盡可能去減少對測量結(jié)果 的影響。

[1]國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，測量不確定度評定與表示[M].北京：中國計(jì)量出版社，1999.

[2]杜維.化工檢測技術(shù)及顯示儀表[M].浙江：浙江大學(xué)出版社，1988.

[3]費(fèi)業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.