臺(tái)架實(shí)驗(yàn)用熱電偶測(cè)溫元件的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

王娟，杜文君

（陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，陜西 西安 710117）

前言

臺(tái)架實(shí)驗(yàn)作為變速箱研發(fā)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，受到了相關(guān)技術(shù)人員的高度重視。臺(tái)架實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)測(cè)量、記錄多種實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如轉(zhuǎn)速、扭矩、力值、溫度、壓力、時(shí)間等，依次分析、評(píng)判變速箱的各種實(shí)際性能，尋找改進(jìn)機(jī)會(huì)。所以各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)獲得、準(zhǔn)確、可靠就顯得尤為重要。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程一般要持續(xù)一段時(shí)間，為了完整的保留各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，就需要實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠即時(shí)采集、顯示、記錄各種數(shù)據(jù)。所以各種傳感器、變送器、轉(zhuǎn)換模塊就得到了廣泛應(yīng)用。

臺(tái)架實(shí)驗(yàn)時(shí)，比較常用的測(cè)溫元件有工作用熱電偶和工業(yè)鉑熱電阻兩種，這兩種測(cè)溫元件的顯著特點(diǎn)是：成本低、測(cè)量信號(hào)便于傳輸、使用方便。

本文針對(duì)溫度測(cè)量時(shí)，熱電偶類(lèi)測(cè)溫元件結(jié)構(gòu)型式選擇環(huán)節(jié)，結(jié)合熱電偶的計(jì)量檢定談?wù)勛约旱恼J(rèn)識(shí)和體會(huì)。

1 問(wèn)題的提出

熱電偶的測(cè)溫原理告訴我們，只有當(dāng)熱電偶的冷端溫度保持不變時(shí)，熱電勢(shì)才是被測(cè)溫度的單值函數(shù)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了節(jié)約熱電偶的電極材料、降低費(fèi)用，熱電偶不必制作過(guò)長(zhǎng)，原則是：工作端要能達(dá)到需測(cè)量的溫度場(chǎng)位置，冷端需處于周?chē)鷾囟认鄬?duì)穩(wěn)定的環(huán)境中，同時(shí)采用適當(dāng)?shù)睦涠藴囟妊a(bǔ)償法。冷端溫度補(bǔ)償法中，補(bǔ)償導(dǎo)線法比較常用，這種方法費(fèi)用低，易于實(shí)現(xiàn)，但是必須注意的是與之配用的顯示單元本身要具有冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能，同時(shí)，熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線連接處的溫度不應(yīng)超過(guò) 100℃，否則也會(huì)由于補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶的熱電特性不同而帶來(lái)新的誤差。

圖 1所示為實(shí)驗(yàn)中最初擬用的一種規(guī)格的 K分度熱電偶，其插入深度L=60mm。由于它的工作端（熱端）與冷端距離太近，我們認(rèn)為，實(shí)際使用中，這種型式的熱電偶只適合測(cè)量不超過(guò)150℃的溫度。若要測(cè)量150℃以上溫度，尤其是需要垂直插入測(cè)量時(shí)，（測(cè)量對(duì)象表面溫度超過(guò)100℃）誤差將顯著增大（示值偏低）。

圖1 型號(hào)WRNK2-101 規(guī)格L=60 mm

2 改進(jìn)方案的實(shí)施

圖1所示熱電偶的冷端和被測(cè)溫場(chǎng)只有不到60mm的距離，受熱輻射的影響，冷端溫度已經(jīng)超過(guò)了 100℃，熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線連接插頭處的溫度超過(guò) 100℃后，補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶的熱電特性不同而帶來(lái)新的誤差導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果誤差增大。

我們將圖1所示熱電偶改為圖2所示結(jié)構(gòu)型式，其插入深度L=60mm，但將冷端延長(zhǎng)了80mm，并改為柔性型式。這樣，當(dāng)熱電偶垂直插入測(cè)溫孔后，可以將冷端方便的固定在被測(cè)溫場(chǎng)的一側(cè)，而不是正上方，保證其冷端溫度不超過(guò)100℃。

圖2 型號(hào)WRNK2-191 規(guī)格L=60mm

以上兩種結(jié)構(gòu)形式的鎧裝 K分度熱電偶為同一廠家制作，在完全相同的條件下進(jìn)行計(jì)量檢定后，“檢定結(jié)果”如下表所示。比較 50℃～250℃測(cè)量范圍內(nèi)五個(gè)檢定點(diǎn)的實(shí)際誤差可以看出：檢定溫度在50℃、100℃、150℃三點(diǎn)上，兩種型號(hào)熱電偶的實(shí)際誤差均在±2.5℃允差范圍內(nèi)；當(dāng)檢定溫度為200℃、250℃兩點(diǎn)時(shí)，WRNK2-191型（改進(jìn)后）熱電偶的實(shí)際誤差仍在其允差范圍內(nèi)，而WRNK2-101型（改進(jìn)前）熱電偶的實(shí)際誤差超出了允差范圍，并有隨著溫度升高、誤差絕對(duì)值增大的趨勢(shì)。這個(gè)結(jié)果就是熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線連接處的溫度超過(guò) 100℃后，補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶熱電特性不同而帶來(lái)新的誤差所致。

表1

［以下空白］

證書(shū)只對(duì)此被測(cè)件有效。未經(jīng)本實(shí)驗(yàn)室批準(zhǔn)，不得部分復(fù)印。

3 結(jié)束語(yǔ)

選擇熱電偶類(lèi)測(cè)溫元件測(cè)溫時(shí)，在考慮測(cè)量范圍、響應(yīng)速度、分度號(hào)等因素的同時(shí)，還要重點(diǎn)關(guān)注熱電偶的安裝方式、冷端溫度等條件，必要時(shí)根據(jù)實(shí)際情況選用柔性結(jié)構(gòu)型式的熱電偶，并將冷端延長(zhǎng)至環(huán)境溫度較為穩(wěn)定的位置，確保測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

以上觀點(diǎn)是我們根據(jù)實(shí)際檢定結(jié)果、分析測(cè)量過(guò)程總結(jié)而得，不妥之處歡迎同行批評(píng)、指正。

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