ConST680智能溫度自動(dòng)檢定系統(tǒng)在熱電偶檢定領(lǐng)域的應(yīng)用

摘要：ConST680智能溫度自動(dòng)檢定系統(tǒng)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)測(cè)試技術(shù)于一體的自動(dòng)化溫度檢定裝置，可以實(shí)現(xiàn)超高效率并行多任務(wù)管理，布線簡(jiǎn)便，可以快速實(shí)現(xiàn)被檢傳感器接線;配備專業(yè)智能多通道精密測(cè)溫儀，兼容多廠家恒溫裝置，支持用戶低成本升級(jí)改造;提供最簡(jiǎn)潔的系統(tǒng)組網(wǎng)方式，現(xiàn)場(chǎng)沒有大把的通信線、電源線、測(cè)試線，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)室非常整潔?，F(xiàn)主要介紹該系統(tǒng)的組成及工作原理、校準(zhǔn)/檢定步驟、不確定度評(píng)定以及系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：工作原理;步驟;校準(zhǔn);檢定;不確定度評(píng)定

中圖分類號(hào)：TH811? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）11-0005-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.11.002

0 ???引言

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了能夠準(zhǔn)確測(cè)量各個(gè)工藝點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度，必須使用測(cè)溫傳感器來進(jìn)行溫度的測(cè)定，而熱電偶則是較為常見、使用率較高的一種測(cè)溫傳感器。熱電偶傳感器有多種優(yōu)勢(shì)，如測(cè)溫準(zhǔn)確率高、測(cè)量范圍大、價(jià)格相對(duì)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(jìn)行輔助操作，比如在進(jìn)行數(shù)據(jù)收集處理時(shí)，必須由人工來完成，而人工的參與往往會(huì)導(dǎo)致檢定時(shí)間較長(zhǎng)，出錯(cuò)率較高，檢定效率較低。ConST680智能溫度自動(dòng)檢定系統(tǒng)是一種能夠進(jìn)行自動(dòng)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(diǎn)。

1 ???系統(tǒng)組成及工作原理

ConST680智能溫度自動(dòng)檢定系統(tǒng)作為一種現(xiàn)代化、自動(dòng)化的工業(yè)裝置，涉及多種現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，比如計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)等。如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為主體，由智能多通道精密測(cè)溫儀、多通道信號(hào)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(jìn)行檢定/校準(zhǔn)，將標(biāo)準(zhǔn)偶和被檢偶用鎳鉻絲進(jìn)行捆綁后放入檢定爐內(nèi)[1]，用計(jì)算機(jī)對(duì)恒溫爐進(jìn)行爐溫控制，使?fàn)t溫達(dá)到檢定溫度點(diǎn)附近后，保溫一定時(shí)間，使熱電偶充分燒透達(dá)到平衡。智能多通道精密測(cè)溫儀按照檢定規(guī)程要求按順序讀取多通道信號(hào)掃描裝置各個(gè)通道的數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，對(duì)原始記錄進(jìn)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(hù)管捆扎在被檢偶的中間位置，確保每一個(gè)測(cè)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(hù)管內(nèi)。

2.2 ???開啟硬件及裝爐

打開檢定爐、精密測(cè)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(dòng)補(bǔ)償方式，將熱電偶的參考端正負(fù)極與配套的銅導(dǎo)線對(duì)接并插入多通道信號(hào)掃描裝置對(duì)應(yīng)的接口。系統(tǒng)將自動(dòng)從多通道信號(hào)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.4 ???啟動(dòng)軟件設(shè)置參數(shù)

開始啟動(dòng)系統(tǒng)軟件，進(jìn)行用戶登錄后，進(jìn)入系統(tǒng)操作界面的人機(jī)交互操作系統(tǒng)。點(diǎn)擊首頁(yè)的“檢校中心”，選擇“溫度檢?！?“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(hào)、等級(jí)、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(diǎn)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(diǎn)擊“開始檢?！保鐖D3所示，進(jìn)入檢校界面，首先點(diǎn)擊“通道配置”，按照自身接線的通道進(jìn)行設(shè)置，如圖4所示。設(shè)置完成后點(diǎn)擊“保存”，然后點(diǎn)擊“開始測(cè)試”，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)檢定狀態(tài)。

2.5 ???觀察檢定過程

系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)檢定狀態(tài)后，進(jìn)入升溫曲線圖畫面，在根據(jù)國(guó)家相關(guān)文件要求的檢定規(guī)程設(shè)計(jì)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(diǎn)檢定完成后，數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)保存。在數(shù)據(jù)中心可進(jìn)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(píng)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(duì)工作用熱電偶進(jìn)行檢定，其不確定度分析采用下式[2]：

e被（t）=被（t）+S被（t）+e補(bǔ)

式中：e被（t）為被校熱電偶在某校準(zhǔn)溫度點(diǎn)上的熱電動(dòng)勢(shì);e被（t）為被校熱電偶在某校準(zhǔn)點(diǎn)附近測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)的平均值;e標(biāo)證為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶證書上某溫度點(diǎn)的熱電動(dòng)勢(shì);e標(biāo)（t）為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在某校準(zhǔn)點(diǎn)附近測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)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(diǎn)的微分熱電動(dòng)勢(shì);e補(bǔ)為補(bǔ)償導(dǎo)線修正值。

3.2 ???不確定度傳播公式

測(cè)量模型中各個(gè)輸入量的不確定度相互獨(dú)立，根據(jù)不確定度傳播律[2]：

uc 2=[c1u（e被）]2+[c2u（e標(biāo)證）]2+[c3u（e標(biāo)）]2+[c4u（e補(bǔ)）]2

其中，靈敏系數(shù)c1==1;c2==;c3==-;c4==1。

3.3 ???標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

3.3.1 ???輸入量e被（t）的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（e被）的評(píng)定

輸入量e被的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（e被），來源于被測(cè)熱電偶測(cè)量重復(fù)性、電測(cè)儀器測(cè)量誤差、爐內(nèi)溫場(chǎng)的不均勻、轉(zhuǎn)換開關(guān)寄生電勢(shì)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(cè)熱電偶測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1

采用A類方法進(jìn)行評(píng)定，用標(biāo)準(zhǔn)偶對(duì)被校廉金屬熱電偶（K型）在400 ℃共進(jìn)行6組獨(dú)立重復(fù)測(cè)量。

sp1==0.75 μV

實(shí)際測(cè)量以4次測(cè)量平均值作為測(cè)量結(jié)果，故u1=sp1/≈0.38 μV。

為降低工作量，可以僅對(duì)400 ℃點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，之所以能夠通過這種方式降低工作量，是因?yàn)椴还苁窃谀囊粋€(gè)溫度點(diǎn)，被測(cè)偶的重復(fù)情況都是大致相同的，沒有必要對(duì)每一個(gè)溫度點(diǎn)都進(jìn)行重復(fù)測(cè)量。

3.3.1.2 ???電測(cè)儀器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2

電測(cè)儀器采用智能多通道精密測(cè)溫儀，其測(cè)量值誤差為±（9 ppm FS+36 ppm RD），在區(qū)間內(nèi)認(rèn)為均勻分布，包含因子k=，以400、600、800 ℃為例計(jì)算，不確定度分別為0.85、1.03、1.21 μV。

3.3.1.3 ???爐內(nèi)溫場(chǎng)不均勻引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3

采用B類方法進(jìn)行評(píng)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=，取半寬為10.56 μV，故標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

u3=10.56/≈6.10 μV

3.3.1.4 ???轉(zhuǎn)換開關(guān)寄生電勢(shì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4

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

u4=0.5/≈0.29 μV

3.3.1.5 ???參考端溫差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u5

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

u5=4/≈2.31 μV

因此，輸入量e被的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（e被）合成為：

u（e被）=

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

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(píng)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(jìn)行評(píng)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、2.9 μV。

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(píng)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(cè)量重復(fù)性u(píng)（e標(biāo)1）、電測(cè)儀器測(cè)量誤差u（e標(biāo)2）、轉(zhuǎn)換開關(guān)寄生電勢(shì)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）。

u（e標(biāo)）=

以400、600、800 ℃為例計(jì)算，參照3.3.1的評(píng)定方法得出不確定度分別為0.77、0.80、0.83 μV。

3.3.4 ???補(bǔ)償導(dǎo)線引入的不確定度u（e補(bǔ)）

經(jīng)測(cè)量，K型補(bǔ)償導(dǎo)線在30 ℃時(shí)，誤差為±0.2 ℃，按均勻分布考慮，包含因子k=，半寬度為7.89 μV，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

u（e補(bǔ)）=7.89/≈4.6 μV

系統(tǒng)不確定度來源較多，包括但不限于電測(cè)儀器自身的誤差、補(bǔ)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。

經(jīng)分析，上述四項(xiàng)不確定度相互獨(dú)立，故合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc 2=[c1u（e被）]2+[c2u（e標(biāo)證）]2+[c3u（e標(biāo)）]2+[c4u（e補(bǔ)）]2及擴(kuò)展不確定度U（k=2）具體如表2所示。

分析結(jié)果滿足JJF 1637—2017《廉金屬熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范》[2]、JJG 141—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(shì)

1）配備ConST685專業(yè)的測(cè)溫儀，相對(duì)傳統(tǒng)的電學(xué)儀表ConST685更加側(cè)重精密溫度測(cè)量特性，原生支持恒流源換向、正反信號(hào)測(cè)量、內(nèi)置熱電偶冷端補(bǔ)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(yùn)行，多用戶協(xié)同工作;該軟件的相關(guān)內(nèi)容都是符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的，界面簡(jiǎn)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(jì)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(chǎng)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(dòng)，標(biāo)尺對(duì)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(hù)能力：V0阻燃等級(jí)、軟件超溫保護(hù)、獨(dú)立的硬件超溫房補(bǔ)。整個(gè)系統(tǒng)的多重保護(hù)機(jī)制讓溫度實(shí)驗(yàn)室更加安全、可靠，可避免高溫?zé)崾Э亍?/p>

5）所有設(shè)備均具備TFT觸摸屏，操作簡(jiǎn)單便捷，支持一鍵U盤升級(jí)，存儲(chǔ)容量大，通信接口豐富。

5 ???結(jié)束語(yǔ)

ConST680智能溫度檢定系統(tǒng)具有非常多的優(yōu)點(diǎn)，比如自動(dòng)檢定，自動(dòng)收集、處理、保存數(shù)據(jù)等，除了以上優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)強(qiáng)度，可廣泛應(yīng)用于計(jì)量、電力、石油、冶金、化工等部門。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 旋石嬋，楊艷，鄭自成.CIMM-TCM-6熱電偶自動(dòng)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].

收稿日期：2024-02-04

作者簡(jiǎn)介：蘇清楠（1990—），男，福建泉州人，冶金自動(dòng)化助理工程師，從事計(jì)量?jī)x器的檢定和校準(zhǔn)工作。