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          實用溫度測量(四)

          發布時間:2015-09-16 09:34   類型:基礎知識   人瀏覽

          熱分流

          制成的熱電偶不能沒有質量。由于加熱任何質量都需 要能量,因此熱電偶將稍微改變其打算測量的溫度。如 果要測量的質量較小,則熱電偶自然必定很小。但使用 小直徑電線制成的熱電偶更容易受到污染、退火、應變 和并聯阻抗等問題的影響。要最大限度降低這些影響, 可以使用熱電偶延長線。市售的延長線主要用于覆蓋測 量熱電偶和電壓表之間的長距離。

          延長線由塞貝克系數與特定熱電偶類型非常相似的金 屬制成。通常它的尺寸更大以便其串聯電阻不會在橫跨 長距離時成為影響因素。它還可以比非常小的熱電偶線 更容易穿過線管。延長線指定的溫度范圍通常比優質熱 電偶線低得多。除了提供實用的尺寸優勢以外,延長線 還比標準熱電偶線便宜。這對基于鉑的熱電偶來說尤其 實際。

          由于延長線指定的溫度范圍較窄并且很可能會受到機 械應力,因此延長線的溫度梯度應保持在最低限度。根 據梯度理論,這可確保幾乎沒有任何輸出信號受延長線 影響。

          噪聲-我們已經討論了線路相關的噪聲,因為它與數據 采集系統有關。積分、樹形開關和保護技術可用于抵消 大多數線路相關的干擾。寬帶噪聲可通過模擬濾波器 抑制。

          數據采集系統無法抑制的一種噪聲類型是由系統中的 直流泄漏電流導致的直流偏移量。盡管直流泄漏電流量 值足以導致顯著誤差的情況不常見,但應注意并防止其 出現的可能性,尤其是熱電偶線非常小而相關的串聯電 阻很高時。

          線校準

          熱電偶線按照特定的規格制造,表明其符合NBS表的 標準。規格有時可通過校準電線(在已知的溫度進行測 試)來增強。連續線軸上的連續電線件通常會比指定的 公差更接近地跟蹤彼此,盡管其輸出電壓可能稍微遠離 絕對規格的中心。

          如果是為了提高導線的基本規格而校準導線,更為迫 切的工作是需要具備上述所有條件以避免失準。

          記錄文檔-說記錄文檔是電壓測量誤差的來源之一看 起來有些不合適,但實際上,熱電偶系統由于易于使用 而引入了大量數據點。海量的數據可能變得相當不易操 作。采用大量數據時,由于標錯線、使用錯誤的NBS曲 線等導致錯誤的可能性隨之增加。

          由于通道號不斷變化,因此數據應按測量而不僅僅是 通道號進行分類。6有關任何指定測量以及如傳感器類 型、輸出電壓、典型值和位置之類的信息均可在一個數 據文件中進行維護。這可以在計算機控制下完成,也可 以僅僅通過填寫預先打印的表格來完成。無論如何維護 數據,都不應低估簡明系統的重要性,尤其是在開始復 雜的數據收集項目時。

          診斷

          我們已經提到過的大多數誤差來源在其溫度限制附近 使用熱電偶時會更加嚴重。在大多數應用中,不會經常 遇到這些情況。但我們在高溫、惡劣的大氣環境中使用 小型熱電偶的情況將會怎樣?我們怎么知道熱電偶什么 時候產生錯誤的結果?我們需要制定一套可靠的診斷 步驟。

          通過使用診斷技術,R.P.里德已開發出一個優秀的系統 用于檢測故障熱電偶和數據通道。10此系統的三個組件是 事件記錄、溫區框測試和熱電偶電阻歷史記錄。

          事件記錄-第一個診斷根本不是測試,而是記錄可能甚 至遠程影響測量的所有相關事件。示例如下

          3月18日事件記錄

          10:43 電源故障
          10:47 系統電源恢復
          11:05 將M821改為K型熱電阻
          13:51 新數據采集程序
          16:07 M821似乎出現讀數錯誤
          圖29

          我們查看程序列表并發現被測量#M821使用J型熱電偶 并且我們的新數據采集程序將其視為J型。但通過事件記 錄,很明顯熱電偶M821被更改為K型,而該更改未輸入 到程序中。雖然大多數異常不會這么容易發現,但事件 記錄可為系統測量中不明更改的原因提供有價值的洞察。 這對于配置為測量幾百個數據點的系統尤其實際。

          溫區框測試-溫區框是用于代替冰槽基準的已知溫度的 等溫接線盒。如果我們暫時將熱電偶直接在溫區框中 短路,則系統應讀取非常接近溫區框的讀數,即接近 室溫。

          如果熱電偶導線電阻比并聯電阻高得多,則銅線分流 強制V = 0。在未短路的正常情況下,我們需要測量TJ, 而系統讀數為: V ? α (TJ - TREF)

          但對于功能測試,我們已使端子短路,以使V=0。因此 指示的溫度T’J為: 0 = α (T’J - TREF)
          T’J = TREF

          因此,對于V = 0的dvm讀數,系統將指示溫區框溫 度。首先我們觀察溫度T (強制與T 不同),然后 我們縮短銅線熱電偶,并確保系統指示溫區框溫度而 不是TJ。

          這一簡單的測試確認控制器、掃描器、電壓表和溫區框 補償都正常運行。實際上,這一簡單的過程可測試除熱 電偶線本身以外的所有內容。

          熱電偶電阻-熱電偶電路電阻的急劇變化可作為警告指 示器。如果繪制每組熱電偶線的電阻與時間曲線,我們 可以立即發現急劇電阻變化,這可能表示電線開路、由 于安裝故障電線短路、由于振動疲勞發生變化或許多故 障機制之一。

          例如,假設我們有如圖31中所示的熱電偶測量。 我們想要測量已經點燃的地下煤層的溫度曲線。電線

          經過高溫區域,然后進入冷卻器區域。我們測量的溫度

          突然從300?C上升到1200?C。是煤層的燃燒區域轉移到 不同的位置,還是熱電偶絕緣層發生故障,因而導致熱 點的兩根電線之間短路? 示例如下:

          如果我們擁有熱電偶線電阻的連續歷史記錄,則可以 推斷出實際發生的事情。

          由于電線的電阻率隨著溫度變化而變化,因此熱電偶 的電阻自然隨時間變化。但電阻的突然變化表示有些錯 誤。在這種情況下,電阻會急劇下降,表示絕緣層發生 故障,有效地縮短了熱電偶回路。

          連接點將測量溫度Ts而不是T1。電阻測量為我們提供了 更多信息,有助于解釋標準熱電偶開路檢查檢測到的物 理現象。

          測量電阻-我們大概檢查一下熱電偶線的電阻,如同進 行一次簡單的測量。但要記住,如果熱電偶產生電壓, 這個電壓可能會導致大的電偶測量誤差。測量熱電偶的 電阻類似于測量電池的內部電阻。我們可以使用稱為偏 置補償歐姆測量的技術來解決這個問題。

          顧名思義,電壓表首先測量熱電偶偏移電壓而不應用 歐姆電流源。然后,歐姆電流源將打開并再次測量電阻 兩端的電壓。電壓表軟件會補償熱電偶的偏移電壓并計 算實際的熱電偶源電阻。

          特殊熱電偶-在極端條件下,我們甚至可以使用診斷熱 電偶電路配置。尖端分支和管腳分支的熱電偶是四線熱 電偶電路,可以進行溫度、噪聲、電壓和電阻的冗余測 量以檢查線路完整性。其各自的優點在參考資料8中詳細 討論。

          只有嚴苛的熱電偶應用才需要如此大量的診斷,但令 人欣慰的是,知道存在可用于確認重要熱電偶測量完整 性的過程。

          總結

          總之,可通過以下預防措施改善熱電偶系統的完整性

          • 使用不會從測量表面分流掉熱量的可能的最大線 徑導的線。
          • 如果需要小線徑線,請僅在測量區域使用,并為 沒有溫度梯度的區域使用延長線。
          • 避免可能會拉緊線的機械應力和振動。
          • 使用長熱電偶線時,請連接屏蔽dvm保護端子的 線,并使用雙絞延長線。
          • 避免急劇的溫度梯度
          • 嘗試恰好在熱電偶線的額定溫度時使用該熱電 偶線。
          • 使用防護型積分模數轉換器。
          • 在惡劣的環境中使用適當的護套材料來保護熱 電偶線
          • 僅在溫度低且梯度小的區域內使用延長線。
          • 保留熱電偶電阻的事件記錄和連續記錄。

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