熱電偶自動檢定系統整體性能檢測方法

　　目前，二等標準鉑銠10-鉑（S型）熱電偶及工作用熱電偶自動檢定系統（以下簡稱“系統”）已被電力行業的某些生產和科研部門用于（300℃～100℃）范圍的熱電偶檢定或校準。為確保電力行業在該溫區量值傳遞的準確統一及檢測數據的可靠，用戶對該系統進行驗收、建標、復查認證、使用中核查，以及該系統軟件版本升級后的性能確認是非常重要和必要的。為了便于開展上述工作，本文根據實際檢測經驗，總結出對系統整體性能的測試方法。
　　
　　一、測試條件
　　
　　（1）測試用儀器設備見表1。　　
　　（2）測試時要求環境溫度20℃±2℃，相對濕度45%～75%；空間電磁場、電源雜波、振動等均應符合儀器設備的使用要求。
　　
　　（3）測試采用雙極比較法，在鋅、鋁、銅3點進行檢測。用3支具有有效證書的標準S型熱電偶和相應準確的電測儀器（設備）對系統進行測試。通過測試，獲得表征系統控溫恒溫性能的有效數據、重復性檢測結果、比對實驗結果。若測試結果符合規范相應條款的要求，則說明該系統整體性能滿足使用要求，否則，尖查找原因并重新測試。
　　
　　1.1測試前的準備工作
　　
　　測試前必須做好準備工作，檢測接線見圖1。　　
　　準備工作具體步驟：
　　
　　（1）將所選用的3支熱電偶捆扎成1束。其中用作標準和被檢的2支熱電偶的測量端用直徑（0.1～0.3）mm的清潔鉑絲捆扎在一起，另1支用作監測的熱電偶測量端不要和上述2支熱電偶的測量端捆在一起，但應盡量靠近。要求3支熱電偶的測量端處于同一平面，測量端以外的電極不應相互接觸。
　　
　　（2）捆扎好的熱電偶束同軸置于溫場檢測合格的高溫檢定爐均勻溫場的中心處。
　　
　　（3）熱電偶應固定好，參考端與測量導線應接觸良好，插入同一冰點恒溫器內。
　　
　　（4）將監測用的熱電偶測量線與電壓信號測量儀表（或數字表）輸入端相連，用來監測檢測過程中爐溫的變化。
　　
　　（5）標準熱電偶和被檢熱電偶要與系統的標準、被檢輸入通道相連，可將裝置的其它被檢同名輸入端短接，并與被檢熱電偶相連。
　　
　　（6）以上工作準備就緒后，即可根據系統的操作手冊進行升溫、檢測。
　　
　　1.2監測控溫、恒溫和數據采集過程
　　
　　（1）記錄升溫過程中必要的信息，如系統計算機屏幕顯示信息、監測用電壓信號測量儀表（或數字表）的示值等。以上記錄的時間間隔為（2～5）min。
　　
　　（2）當控溫溫度偏離設定檢定點±5℃時，記錄的時間間隔可取（30～60）s。此時系統處于恒溫狀態，這時的數據對于考核系統的控溫恒溫性能非常重要，因此應盡可能多地記錄監測爐溫波動的信息。
　　
　　（3）系統設有判斷恒溫與否的指標，當恒溫溫度達到指標要求時，系統會自動采集數據，該過程即為數據采集檢測過程。此時只需連續記錄監測熱電偶的熱電勢值和采樣的起止時間。
　　
　　（4）當系統判別采樣過程中溫度波動達到系統設定的指標要求時，就進入下一點的升溫檢定，否則重新恒溫。這時應繼續記錄監測熱電偶的熱電勢值和采樣的起止時間，直至所有的設定點檢測完畢。
　　
　　1.3計算
　　
　　在1.2中記錄的數據是考核系統整體性能重要依據。下面給出具體的計算示例。表2為一次實際檢測鋅點的記錄在案（節選）。　　
　　采樣結束后，根據記錄的數據進行計算，并將計算結果填入設計好的表格中。采用倒推的方法計算表2的數據。根據規范要求，應滿足如下指標：
　　
　　（1）采樣過程中每分鐘的溫度波動△T1應不大于0.1℃。
　　
　　△T1可用式（1）計算：
　　
　　式中，Emax、Emin——采樣開始到采樣結束過程中熱電偶的熱電勢zui大值和zui小值，mV；
　　
　　s——檢測溫度點的微分電勢，μV/℃;
　　
　　t——采樣過程所用時間，s。
　　
　　（2）采樣*min溫度波動△T2應不大于0.5℃。△T2可用式（2）計算：
　　
　　△T2＝（E'max－E'min）×103/s（2）
　　
　　式中E'max、E'min——采樣開始到采樣*min監測熱電偶的熱電勢zui大值和zui小值，mV；
　　
　　s——檢測溫度點的微分電熱，μV/℃;
　　
　　（3）實際爐溫偏離設定溫度點△T3應不大于±5℃。△T3由式（3）計算：
　　
　　△T3＝（Ep－Ezh）×103/s（3）
　　
　　式中Ep——采樣過程中監測熱電偶的熱電勢平均值，mv；
　　
　　Ezh——監測熱電偶在該設定溫度點的證書給出值，mv；
　　
　　s——檢測溫度點的微分電熱，μV/℃。
　　
　　（4）控溫恒溫過程中溫度波動可用式（1）和式（2）計算，并可根據計算的區段來取對應的參數，也可以通過實際監測值計算系統的溫度顯示誤差。
　　
　　1.4系統檢測的重復性誤差
　　
　　系統整體性能的另一項指標是系統檢測的重復性誤差。按1.1～1.3的檢測步驟要求，連續檢測3次（爐溫應降至室溫），將3次被檢熱電偶各個溫度點的熱電勢值進行比較，其差值即為檢測的重復性誤差，zui大差值應不大于3μV，否則應查找原因重新檢測。
　　
　　1.5比對實驗誤差
　　
　　系統整體性能的第3項指標是比對實驗誤差。按1.1～1.3的步驟連續檢測3次，將3次被檢熱電偶各溫度點的熱電熱值與被檢熱電偶證書值相比較，差值即為比對實驗誤差，其zui大差值應不大于5μV，否則應查找原因重新檢測。
　　
　　二、測試中可能出現的問題及其消除方法
　　
　　2.1監測值突變或漂移
　　
　　在實際測試中發現捆扎方式（圖2）對系統恒溫性能有一定的影響。在采樣階段，用圖2（a）捆扎方式時，監測用數字表顯示值有時會被干擾，具體表現為個別監測值突變或漂移，其變化量約為幾微狀。　　
　　經多次試驗分析認為，若采用圖2（a）捆扎方式，采樣過程中監測用的數字表通過監測熱電偶的測量端，與系統的數據采集回路形成一閉合回路，回路中電測儀表產生的相互干擾可造成小信號電壓顯示值的突變或漂移；采用圖2（b）方式，監測回路與系統回路是獨立的，所以能減少或消除回路中的干擾，測試結果亦是可靠的。因此，應采用圖2（b）捆扎方式。
　　
　　2.2接地與共地
　　
　　在系統參數已經調整好的情況下，無論在哪個檢測點，恒溫過程中有時會出現控溫曲線不光滑或微小的不等幅波動。該現象一般發生在系統的恒溫過程，經反復查找和多次試驗，其為系統接地不良或共地不當所致，造成系統的功率調節器輸出電壓頻繁調節。
　　
　　具體解決方法：將檢定爐及穩壓電源等功率較大的設備與系統的控制及數據采集回路等電子設備分別可靠接地但不共地，以減少大功率交流設備對直流小信號測量設備的影響。
　　
　　2.3恒溫判別條件
　　
　　系統出廠的恒溫判別條件已設置好，但在實際測試中經常會發現不是每一次檢測時爐溫都能控制得恰到好處，尤其是采用控溫熱電偶巾爐壁的控溫方式，也并非條件越嚴格、恒溫時間越長，控溫效果就越好；相反，只要恒溫過程中每分鐘的溫度波動△T1與10min的溫度波動△T2判斷條件同步，就能達到較好的恒溫效果。經過實際測試認為，出現△T1與△T2不同步的原因是電阻空氣爐本身的升溫恒溫慣性較大,當恒溫時間達到（7～8）min時,爐內外的傳熱基本均。若將輸出控制量仍然維持在原出廠時的設定值，爐內溫度就會緩慢地上升或下降，這種變化雖然能滿足采樣前的判斷條件，但采樣過程每分鐘的溫度波動卻超出了允許值。
　　
　　解決此問題的具體方法：重新調整恒溫判別條件，逐段逼近，使其在保證滿足指標要求的前提下，盡量縮短恒溫時間，尤其對采樣前溫度波動的判別，應快速而準確，以避開調節器的下一次調整，達到較理想的控溫效果。
　　
　　調整前后的采樣條件見表3，改變恒溫判斷條件的2次實際檢測結果見表4。表4結果是在同一檢測系統、用相同的監測設備、相同的PID參數、不同的采樣判斷條件下得出的。從表3、表4可見，調整前的參數雖然比調整后的嚴格，恒定的時間也相對長一些，但實際采樣結果卻超出規范允許值，而用調整后的參數測試的結果符合規范要求。顯然，參數調整后的結果較為理想。　　
　　三、結語
　　
　　由于溫度量值本身會受許多不確定因素的影響，且熱電偶自動檢定系統僅是通過計算機控制的，目前還不能達到*智能化。所以，此類系統若能同時滿足本文所述各項指標的要求，就可確認其整體性能符合檢定二等標準熱電偶的要求。
　　
　　因此，使用此類系統的用戶在對系統進行驗收、建標、復查認證、使用中核查，以及該系統軟件版本升級后的性能確認，均可參照本方法。