油氣管道上測溫熱電偶的標定

摘 要:油氣管道儀表自動化系統(tǒng)中常用熱電偶和熱電阻來檢測和顯示運輸油品的溫度，達到報警、控制等目的。本文主要是針對符合油氣管道測量范圍的熱電偶用標準鉑電阻進行標定，并通過最小二乘法進行擬合，得到了標定曲線和方程。

關(guān)鍵詞:油氣管道儀表自動化熱電偶標定

中圖分類號:TM6文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)08(a)-0050-01

1 引言

熱電偶是一種感溫元件，它把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，通過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的均質(zhì)導體組成閉合回路，當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過[1，2]。

2 熱電偶的標定試驗

本次試驗采用的熱電偶，測量溫度范圍是-75℃～1370℃，線芯直徑0.255mm，線芯材質(zhì)正極為鎳鉻合金，負極為鎳鋁合金。它的特點是，使用溫度范圍寬，高溫下性能穩(wěn)定，熱電動勢與溫度的關(guān)系近似線性，價格便宜，因此，它是目前用量最大的熱電偶之一。熱電偶適于在氧化性及惰性氣氛中連續(xù)使用。短期使用溫度為1200℃，長期使用溫度為1000℃。

(1)焊接原理

本次試驗使用的標準鉑電阻為參考對熱電偶進行標定。熱電偶的焊接接點大小與其測量溫度時的熱慣性和響應速度有很大的關(guān)系。為了保證熱電偶的焊點小，并且焊點牢固，自制了一個利用電容放電焊接的設備，圖1是焊接原理圖。二極管選用的普通二極管。

(2)熱電偶的動態(tài)標定

絲式熱電偶動態(tài)特性標定常用的方法有:脈沖信號法、階躍信號法和斜坡信號法。本次試驗采用的熱電偶，其熱接點為毫米級，時間常數(shù)較大，因此采用傳統(tǒng)的標定方法就能確定其時間常數(shù)。溫度階躍法是最常用的方法之一。本次試驗采用階躍信號法，由于激光能夠在微秒或納秒內(nèi)使材料表面產(chǎn)生瞬時溫升，因此激光器是最好的加熱熱源，故本文采用激光作為對傳感器加熱的熱源[3，4]。

絲式熱電偶屬于一階系統(tǒng)，根據(jù)一階系統(tǒng)對階躍信號的響應理論，當系統(tǒng)響應達到穩(wěn)態(tài)值的63.2%時，所需時間即為系統(tǒng)的時間常數(shù)τ，傳感器階躍響應波形如圖2所示。從測試系統(tǒng)的動態(tài)響應曲線可以算出時間常數(shù)τ′約0.5s。由于試驗室激光器脈寬為2ms，周期為33ms，因此實際時間常數(shù)τ應小于30ms。能夠滿足溫度試驗的要求。

(3)熱電偶的靜態(tài)標定

鑒于本次試驗材料的溫度范圍，對熱電偶在測溫范圍0℃～600℃內(nèi)進行標定。以得到熱電偶產(chǎn)生的熱電勢與熱端溫度的關(guān)系特性曲線E=f(t)。熱電偶靜態(tài)標定采用的是比較法。比較法是將被檢熱電偶和標準鉑電阻同時置于相同溫場中，用電測裝置在檢定點上分別測量被檢熱電偶的熱電勢值與標準鉑電阻的電壓值，并進行比較，計算誤差或相應熱電勢值的一種方法。這種方法的特點是:(1)直接測量熱電偶的電勢值，原理簡單、直觀;(2)標準鉑電阻是在檢定爐電源關(guān)閉狀態(tài)下開始檢測，干擾小，精度高;(3)測量次數(shù)少，操作方便，計算簡單。靜態(tài)標定所測得的熱電勢與熱電偶熱端溫度對應起來。

3 數(shù)據(jù)擬合處理

為了利用公式法建立溫度傳感器的標定線，需要進行曲線擬合。曲線擬合問題是指:已知n+1個點，。其中互不相同，尋求函數(shù)，使得與所有數(shù)據(jù)點最為接近，也可稱為數(shù)據(jù)的平滑問題。線性最小二乘法是解決曲線擬合最常用的方法。其基本思路是:其中是事先選定的一組函數(shù):是待定系數(shù)()。尋求a0，a1，a2，…，am，使得為最小，即稱為最小二乘準則。利用MATLAB軟件得到擬合結(jié)果[5，6]:

其中，y為溫度(℃)，x為熱電勢(mV)，圖3為擬合后的標定曲線。數(shù)據(jù)擬合相關(guān)系數(shù)是評判擬合效果的重要指標，它表示擬合線與實測數(shù)據(jù)點的吻合程度，相關(guān)系數(shù)0.9997，擬合的標準差2.322，顯著性水平<0.001。

參考文獻

[1]賈力，方肇洪，錢興華等.高等傳熱學.高等教育出版社.2002.

[2]伊薩琴科(俄).傳熱學.高等教育出版社.1993.

[3]龔德恩，范培華，胡顯佑.經(jīng)濟學數(shù)學基礎(chǔ).四川人民出版社.

[4]楊述平.激光調(diào)制法的熱電偶時間常數(shù)測量.中北大學學報.2007.

[5]陳敏，馬麗.傳感器特性曲線的一種擬合方法.傳感器技術(shù).2003.22(I):38.40.

[6]龔德恩，范培華等.概率統(tǒng)計.四川人民出版社.2005.