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实用温度测量(四)

发布时间:2015-09-16 09:34   类型:基础知识   人浏览

热分流

制成的热电偶不能没有质量。由于加热任何质量都需 要能量,因此热电偶将稍微改变其打算测量的温度。如 果要测量的质量较小,则热电偶自然必定很小。但使用 小直径电线制成的热电偶更容易受到污染、退火、应变 和并联阻抗等问题的影响。要最大限度降低这些影响, 可以使用热电偶延长线。市售的延长线主要用于覆盖测 量热电偶和电压表之间的长距离。

延长线由塞贝克系数与特定热电偶类型非常相似的金 属制成。通常它的尺寸更大以便其串联电阻不会在横跨 长距离时成为影响因素。它还可以比非常小的热电偶线 更容易穿过线管。延长线指定的温度范围通常比优质热 电偶线低得多。除了提供实用的尺寸优势以外,延长线 还比标准热电偶线便宜。这对基于铂的热电偶来说尤其 实际。

由于延长线指定的温度范围较窄并且很可能会受到机 械应力,因此延长线的温度梯度应保持在最低限度。根 据梯度理论,这可确保几乎没有任何输出信号受延长线 影响。

噪声-我们已经讨论了线路相关的噪声,因为它与数据 采集系统有关。积分、树形开关和保护技术可用于抵消 大多数线路相关的干扰。宽带噪声可通过模拟滤波器 抑制。

数据采集系统无法抑制的一种噪声类型是由系统中的 直流泄漏电流导致的直流偏移量。尽管直流泄漏电流量 值足以导致显著误差的情况不常见,但应注意并防止其 出现的可能性,尤其是热电偶线非常小而相关的串联电 阻很高时。

线校准

热电偶线按照特定的规格制造,表明其符合NBS表的 标准。规格有时可通过校准电线(在已知的温度进行测 试)来增强。连续线轴上的连续电线件通常会比指定的 公差更接近地跟踪彼此,尽管其输出电压可能稍微远离 绝对规格的中心。

如果是为了提高导线的基本规格而校准导线,更为迫 切的工作是需要具备上述所有条件以避免失准。

记录文档-说记录文档是电压测量误差的来源之一看 起来有些不合适,但实际上,热电偶系统由于易于使用 而引入了大量数据点。海量的数据可能变得相当不易操 作。采用大量数据时,由于标错线、使用错误的NBS曲 线等导致错误的可能性随之增加。

由于通道号不断变化,因此数据应按测量而不仅仅是 通道号进行分类。6有关任何指定测量以及如传感器类 型、输出电压、典型值和位置之类的信息均可在一个数 据文件中进行维护。这可以在计算机控制下完成,也可 以仅仅通过填写预先打印的表格来完成。无论如何维护 数据,都不应低估简明系统的重要性,尤其是在开始复 杂的数据收集项目时。

诊断

我们已经提到过的大多数误差来源在其温度限制附近 使用热电偶时会更加严重。在大多数应用中,不会经常 遇到这些情况。但我们在高温、恶劣的大气环境中使用 小型热电偶的情况将会怎样?我们怎么知道热电偶什么 时候产生错误的结果?我们需要制定一套可靠的诊断 步骤。

通过使用诊断技术,R.P.里德已开发出一个优秀的系统 用于检测故障热电偶和数据通道。10此系统的三个组件是 事件记录、温区框测试和热电偶电阻历史记录。

事件记录-第一个诊断根本不是测试,而是记录可能甚 至远程影响测量的所有相关事件。示例如下

3月18日事件记录

10:43 电源故障
10:47 系统电源恢复
11:05 将M821改为K型热电阻
13:51 新数据采集程序
16:07 M821似乎出现读数错误
图29

我们查看程序列表并发现被测量#M821使用J型热电偶 并且我们的新数据采集程序将其视为J型。但通过事件记 录,很明显热电偶M821被更改为K型,而该更改未输入 到程序中。虽然大多数异常不会这么容易发现,但事件 记录可为系统测量中不明更改的原因提供有价值的洞察。 这对于配置为测量几百个数据点的系统尤其实际。

温区框测试-温区框是用于代替冰槽基准的已知温度的 等温接线盒。如果我们暂时将热电偶直接在温区框中 短路,则系统应读取非常接近温区框的读数,即接近 室温。

如果热电偶导线电阻比并联电阻高得多,则铜线分流 强制V = 0。在未短路的正常情况下,我们需要测量TJ, 而系统读数为: V ? α (TJ - TREF)

但对于功能测试,我们已使端子短路,以使V=0。因此 指示的温度T’J为: 0 = α (T’J - TREF)
T’J = TREF

因此,对于V = 0的dvm读数,系统将指示温区框温 度。首先我们观察温度T (强制与T 不同),然后 我们缩短铜线热电偶,并确保系统指示温区框温度而 不是TJ。

这一简单的测试确认控制器、扫描器、电压表和温区框 补偿都正常运行。实际上,这一简单的过程可测试除热 电偶线本身以外的所有内容。

热电偶电阻-热电偶电路电阻的急剧变化可作为警告指 示器。如果绘制每组热电偶线的电阻与时间曲线,我们 可以立即发现急剧电阻变化,这可能表示电线开路、由 于安装故障电线短路、由于振动疲劳发生变化或许多故 障机制之一。

例如,假设我们有如图31中所示的热电偶测量。 我们想要测量已经点燃的地下煤层的温度曲线。电线

经过高温区域,然后进入冷却器区域。我们测量的温度

突然从300?C上升到1200?C。是煤层的燃烧区域转移到 不同的位置,还是热电偶绝缘层发生故障,因而导致热 点的两根电线之间短路? 示例如下:

如果我们拥有热电偶线电阻的连续历史记录,则可以 推断出实际发生的事情。

由于电线的电阻率随着温度变化而变化,因此热电偶 的电阻自然随时间变化。但电阻的突然变化表示有些错 误。在这种情况下,电阻会急剧下降,表示绝缘层发生 故障,有效地缩短了热电偶回路。

连接点将测量温度Ts而不是T1。电阻测量为我们提供了 更多信息,有助于解释标准热电偶开路检查检测到的物 理现象。

测量电阻-我们大概检查一下热电偶线的电阻,如同进 行一次简单的测量。但要记住,如果热电偶产生电压, 这个电压可能会导致大的电偶测量误差。测量热电偶的 电阻类似于测量电池的内部电阻。我们可以使用称为偏 置补偿欧姆测量的技术来解决这个问题。

顾名思义,电压表首先测量热电偶偏移电压而不应用 欧姆电流源。然后,欧姆电流源将打开并再次测量电阻 两端的电压。电压表软件会补偿热电偶的偏移电压并计 算实际的热电偶源电阻。

特殊热电偶-在极端条件下,我们甚至可以使用诊断热 电偶电路配置。尖端分支和管脚分支的热电偶是四线热 电偶电路,可以进行温度、噪声、电压和电阻的冗余测 量以检查线路完整性。其各自的优点在参考资料8中详细 讨论。

只有严苛的热电偶应用才需要如此大量的诊断,但令 人欣慰的是,知道存在可用于确认重要热电偶测量完整 性的过程。

总结

总之,可通过以下预防措施改善热电偶系统的完整性

  • 使用不会从测量表面分流掉热量的可能的最大线 径导的线。
  • 如果需要小线径线,请仅在测量区域使用,并为 没有温度梯度的区域使用延长线。
  • 避免可能会拉紧线的机械应力和振动。
  • 使用长热电偶线时,请连接屏蔽dvm保护端子的 线,并使用双绞延长线。
  • 避免急剧的温度梯度
  • 尝试恰好在热电偶线的额定温度时使用该热电 偶线。
  • 使用防护型积分模数转换器。
  • 在恶劣的环境中使用适当的护套材料来保护热 电偶线
  • 仅在温度低且梯度小的区域内使用延长线。
  • 保留热电偶电阻的事件记录和连续记录。

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