工業熱電偶測量不確定度評定及防范

李思平淮南礦業集團電力公司，安徽 淮南 232072

0 引言

工業熱電偶是測量被測介質溫度的一種重要元件，是通過兩種不同導體間在兩端不同溫度下產 生熱電勢，由補償電纜傳送到顯示儀表，顯示儀表根據電勢大小最終顯示出被測溫度。工業熱電偶測量不確定度評定的要素就是由這個過程中各個環節所影響的量。在工業熱電偶測量中我們盡可能將這些因素通過各種措施控制在一定的范圍內，使得測量結果達到或接近測量真實值。

1 工業熱電偶測量不確定度評定

根據工業熱電偶測量過程建立數學模型：

式中：e 為工業熱電偶測量的溫度誤差；

e1為工業熱電偶的允許誤差；

e2為二次儀表或 DCS 通道測量偏差；

e3為冷端溫度補償偏差；

e4為冷端溫度補償通道偏差；

e5為補償導線對測量過程的影響。

由于工業熱電偶測量過程中測量介質的變化，對重復性測量無法進行，因此不考慮 A 類不確定度的評定。

上述5個屬于 B 類測量不確定評定要素。若以測量范圍（0℃～600℃）為例進行合成不確定度的 評定。

3）冷端補償溫度偏差（0.3+0.006t），標準偏差為

上述各項不確定因素中已包含置信概率取 95%，K95≈2。因此擴展不確定度 U95=Uc=3.54℃。

其它工業熱電偶測量不確定度評定類似，區別就是在于測量范圍不同，相對各項標準偏差不同 而已。

2 工業熱電偶測量實例分析及防范

工業熱電偶在測量中，受到測量系統、熱電偶本身等因素的作用，存在測量誤差，我們可以減少測量系統外因素對測量帶來的影響。下面用實際工作中遇到的一實例來分析工業熱電偶測量不確定度的產生及其防范對策。

2008年淮南礦業集團電力公司新莊孜電廠#2機組在線運行記錄顯示，#2機#2瓦溫測量值偏低。在同年#2機C修中，把#2瓦溫進行拆除，在檢定爐進行校驗，溫度偏差為-0.4℃，在熱電偶的允許誤差范圍之內。對熱電偶的航空插頭進行拆解，發現兩側的航空插頭補償導線焊接不匹配（見圖1）。#2 瓦溫是有四支熱電偶元件組成，圖1中元件側表示接元件的航空插頭，補償導線側表示接補償導線并遠傳，實際接線中兩側的正負補償導線正好接反。

#2瓦溫航空插頭兩側補償導線接反后，為什么在檢定時未能發現，而在測量中卻出現溫度偏低現象呢。而補償導線接反，對影響測量不確定度程度有多少。

圖1

再把#2瓦熱電偶簡單畫成圖2，其中虛線框表示航空插頭，其中 E（t）為熱電偶測量端電勢，即實際溫度對應的電勢，E（A）側為熱電偶元件焊接處，E（B）側為補償導線焊接處，E（tc）側為冷端補償并顯示。在正負極性焊接沒有錯誤，且E（tc）側溫度保持不變的情況下，分析熱電偶測溫顯示的變化。

圖2

第一種情況是當 E（A）側和 E（B）側溫度相同，即 EB=EA，也就是航空插頭的兩端溫度相同，根據熱電偶的中間導體定律，

無論怎樣變化，顯示溫度就是 E（t）所對應的溫度值 t（熱電偶測量誤差是固有誤差不予考慮，下 同），在計量室內檢定熱電偶就是在這種情況下進行，也是屬于正常檢測狀態。

第二種情況是當E（t，A）側和E（t，B）側溫度不相同，即EB≠EA，此時就不滿足熱電偶的中間導體定律，

（1）式與（2）式比較，明顯多了這一項（EB- EA），當A側溫度高于 B 側溫度時 ，（EB- EA）為負值 ，顯然 E（t，B）≥ E（t，A），E（tc）側溫度顯示就偏高。由于#2 瓦溫裝在汽輪機缸壁內外的兩側，內側（元件側）溫度高于外側（補償導線側），此時測得的溫度就高于其實際溫度值，兩側溫度差越大，溫度顯示偏高值就越大。

下面再討論 B 側補償導線極性接反，即圖二中的紅線與黑線進行對換，此時溫度顯示值的變化 情況。同樣分兩種情況進行分析。

第一種情況是當 E（A）側和 E（B）側溫度相同，即EB=EA，也就是航空插頭的兩端溫度相同，根據熱電偶的中間導體定律，還是滿足

（3）式與（4）式比較，明顯（3）式值小于（4）式值，顯示溫度就比正常情況下偏低，當 B側溫度越高，溫度偏差值就越大。

第二種情況是當 E（t，A）側和 E（t，B）側溫度不相同 ，即EB≠EA，此時就不滿足熱電偶的中間導體定律，

其它與上一種情況相同，當 A 側溫度高于 B 側溫度時，（EB- EA）為負值 ，顯然 E（t，B）≥ E（t，A），E（tc）側溫度顯示就偏高。因此在補償導線極性接反的情況下，兩種情況可以互相抵消一部分溫度偏差值。實際上E（tc）側溫度遠低于B側溫度，而A、B側溫度可以近似相等，因此總體而言，顯示溫度比實際溫度要低。

在計量室內檢定時無法辨別出溫度偏差，主要原因是E（tc）側溫度、A 側溫度、B 側溫度三者相 同，因此無法測量出極性接反帶來的偏差，只有在航空插頭處 A、B 兩側加上不同的溫度才能辨別出導線焊接的正確性。

這個實例擴大了補償導線對測量結果的影響，給測量帶來附加誤差，使得顯示值的偏差范圍超 過測量不確定度的范圍。我們對采用中間補償導線轉接的熱電偶測量系統，在安裝前必須核對補償 導線的正負極。如果在機組檢修時需要對元件更換，建議把整個航空插頭進行更換，以免各個航空插頭接線差異而影響到測量的準確性。

3 結論

工業熱電偶測量過程中一般不會超過測量不確定度評定值，如果超過這個值，就說明在這個測 量過程中有附加因素存在，我們必須加以分析，并采取措施去加以防范，盡可能去減少對測量結果 的影響。

[1]國家質量技術監督局，測量不確定度評定與表示[M].北京：中國計量出版社，1999.

[2]杜維.化工檢測技術及顯示儀表[M].浙江：浙江大學出版社，1988.

[3]費業泰.誤差理論與數據處理[M].北京：機械工業出版社，2004.