油气管道上测温热电偶的标定

    1 引言

    热电偶是一种感温元件,它把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过^[1,2]。

    2 热电偶的标定试验

    本次试验采用的热电偶,测量温度范围是-75℃～1370℃,线芯直径0.255mm,线芯材质正极为镍铬合金,负极为镍铝合金。它的特点是,使用温度范围宽,高温下性能稳定,热电动势与温度的关系近似线性,价格便宜,因此,它是目前用量最大的热电偶之一。热电偶适于在氧化性及惰性气氛中连续使用。短期使用温度为1200℃,长期使用温度为1000℃。

    (1)焊接原理

    本次试验使用的标准铂电阻为参考对热电偶进行标定。热电偶的焊接接点大小与其测量温度时的热惯性和响应速度有很大的关系。为了保证热电偶的焊点小,并且焊点牢固,自制了一个利用电容放电焊接的设备,图1是焊接原理图。二极管选用的普通二极管。

    (2)热电偶的动态标定

    丝式热电偶动态特性标定常用的方法有:脉冲信号法、阶跃信号法和斜坡信号法。本次试验采用的热电偶,其热接点为毫米级,时间常数较大,因此采用传统的标定方法就能确定其时间常数。温度阶跃法是最常用的方法之一。本次试验采用阶跃信号法,由于激光能够在微秒或纳秒内使材料表面产生瞬时温升,因此激光器是最好的加热热源,故本文采用激光作为对传感器加热的热源^[3,4]。

    丝式热电偶属于一阶系统,根据一阶系统对阶跃信号的响应理论,当系统响应达到稳态值的63.2%时,所需时间即为系统的时间常数τ,传感器阶跃响应波形如图2所示。从测试系统的动态响应曲线可以算出时间常数τ′约0.5s。由于试验室激光器脉宽为2ms,周期为33ms,因此实际时间常数τ应小于30ms。能够满足温度试验的要求。

    (3)热电偶的静态标定

    鉴于本次试验材料的温度范围,对热电偶在测温范围0℃～600℃内进行标定。以得到热电偶产生的热电势与热端温度的关系特性曲线E=f(t)。热电偶静态标定采用的是比较法。比较法是将被检热电偶和标准铂电阻同时置于相同温场中,用电测装置在检定点上分别测量被检热电偶的热电势值与标准铂电阻的电压值,并进行比较,计算误差或相应热电势值的一种方法。这种方法的特点是:(1)直接测量热电偶的电势值,原理简单、直观;(2)标准铂电阻是在检定炉电源关闭状态下开始检测,干扰小,精度高;(3)测量次数少,操作方便,计算简单。静态标定所测得的热电势与热电偶热端温度对应起来。