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熱電偶校驗儀出廠前是怎么標定的？

熱電偶校驗儀從產品名稱上看就知道是對現場溫度傳感器的熱電偶所有分度號的產品進行校驗。熱電偶校驗儀是一款便攜式的可充電的現場校驗工具。可以對熱電偶溫度傳感器進行現場校驗，顯示現場的溫度值，也可以模擬熱電偶輸出毫伏給現場的顯示儀表，同時對現場的顯示儀表進行校驗。

隨著市場經濟的發展，溫度顯示和控制儀表已經廣泛應用于國民經濟、社會生產中的各個方面，在生產生活中起到重要的作用，尤其是在石油、電力、化工、冶金、航空等重要工業領域起著重要的測控作用。這些溫度儀表測量溫度傳感器傳遞來的模擬信號或數字信號，通過自身的信號調理電路或固化在芯片中的處理程序將所測得的溫度轉變成數字形式或模擬形式的顯示值。為了保證測試系統的可靠，對這些溫度儀表及傳感器的校準、調整和檢修維護同樣也是一件十分重要的工作。

目前，國內對于這些溫度儀表的校準、調試通常依據檢定規程中規定的，對配熱電阻的溫度儀表采用標準電阻箱作為標準電阻源，對于配熱電偶的溫度儀表采用直流電位差計作為標準信號源進行。然而，由于采用多儀器進行校準，在實際工作中特別是現場校準工作中十分不方便，在國內的計量、測試、校準領域逐漸出現了一些智能型多功能的溫度校驗儀，例如FLUKE 72X系列、DRUCK TRX系列，紹興中儀CA102S多功能信號校驗儀、NHR100/NHR200熱工信號校驗儀等系列。它在功能上類似于標準電阻箱和直流電位差計的集成，使用上卻更加方便，但是由于國家溫度儀表類檢定規程中并沒有出現這種標準源，在檢定校準這類儀器時多數只能參照相關規程規范進行，校準方法也就不能一致，造成校準結果有一定的差異。本文在多次校準比較的基礎上提出一種校準方法供大家探討，在實際工作中也有一定的參考價值。

熱電偶校驗儀原理

溫度校驗儀是一種用于溫度傳感器和測控儀表或測控系統校準、測試、調試的多功能綜合性儀器。它的原理是以單片機或處理器為核心，配置人機接口界面和輸入輸出電路，通常具有以下幾個特點:

1、能測量多種熱電阻、熱電偶的信號并以溫度值顯示；

2、具有冷端(參考端) 溫度自動補償功能；

3、能輸出和測量電阻、直流電壓或直流電流值；

4、能按照分度表穩定輸出多種熱電阻、熱電偶各溫度對應的標準電量值。

用戶可以將要測量和顯示的各項數據通過人機界面輸入到指令操作電路中，單片機或處理器根據接收到的指令，控制電路做出相應的輸入輸出動作，并將其結果在顯示屏上顯示，有的功能較單一可能沒有顯示。另外，由于熱電阻、熱電偶的電量值和溫度值是非線性的，電路中通常還有一部分是用來存儲數據表格的存儲器電路。如圖1所示。對于帶熱電阻校準功能的溫度校驗儀由于輸入輸出的都是電阻信號，直接通過A/D轉換器就可以進行測控。

圖1:溫度校驗儀原理結構圖

對于帶熱電偶校準功能的溫度校驗儀，在A/D轉換器之前還有一個冷端補償電路，用來測量熱電偶的冷端溫度并進行自動補償。補償方法常見到有補償橋路法、變送器轉換法和LWB冷端補償器法。

校準方法

1、校準條件

溫度校驗儀通常可輸出各種電信號，如熱電偶的直流毫伏信號(mV) ，熱電阻的直流電阻信號(Ω) ，變送器的直流毫安信號(mA)和直流電壓信號(V)，同時具有較高的精度(>0.02%) ，所以校準溫度校驗儀用的標準器應選用測量各種電信號不確定度小于溫度校驗儀允差1/5的測量標準器，可以調溫的均勻性大于0.05 ℃的恒溫器，以及校準熱電阻電阻信號用的四根專用連接導線。

2、基本誤差的校準方法

對于校準輸出熱電阻信號的溫度校驗儀來說，我們可以依據國家檢定規程中的方法，采用四根專用連接導線連接校驗儀和測量標準器，即可得出它輸出的電阻信號基本誤差，再依據分度表可以得到不同分度下的溫度誤差。

對于校準輸出熱電偶信號的溫度校驗儀來說，通過校驗儀原理我們可以看出，它的基本誤差實際包括兩個部分：輸出直流毫伏信號的誤差和冷端測量的誤差。在JJ G617—1996《數字溫度指示調節儀檢定規程》中規定對配熱電偶的數字溫度儀表基本誤差的檢定，采用如圖2 所示的方法，被檢儀表連接補償導線插入冰點槽，再用銅導線與信號源相連接，輸入直流毫伏信號來測量儀表的誤差。所以有人提出采用類似的方法來校準溫度校驗儀，將被檢儀表換成校驗儀，信號源換成測量標準器。但是筆者認為這種方法不妥，主要原因有:

1、這種方法對于那些測量精度不高的儀表適用，但是對于溫度校驗儀這種精度較高的儀器來說，所測得的誤差中包括了恒溫槽和補償導線的測量誤差，不確定度分量較大。尤其是補償導線由于穩定性、材料等原因本身的誤差就比較大，精密級的補償導線也要達到2μV，而且由于補償導線的修正值采用的都是20 ℃時的修正值，而實際冷端溫度可能與20 ℃存在一定的差異，存在一定誤差，因而無論配備再好的測量標準器，整套校準裝置的不確定度也無法得到有效提高。

2、溫度校驗儀通常都具有校準多種分度號熱電偶的功能，按上述方法必須對每一種分度號的熱電偶進行校準，這在實際工作中工作量巨大，難以做到，而且在技術上也毫無必要。因為不論什么分度號的熱電偶的溫度輸出都是由直流電壓輸出和冷端補償組成的。

所以，本文認為對于校準熱電偶信號輸出的溫度校驗儀適宜分別對直流毫伏信號輸出基本誤差和冷端補償誤差進行校準，對于直流毫伏輸出誤差的校準可以依據JJ G445—86《直流標準電壓源檢定規程》連接測量標準器進行校準，而對于冷端補償誤差可以采用以下方法進行校準。

如圖3，采用一個可以調節溫度的恒溫槽來代替零度恒溫槽，該恒溫槽的偏差要求不高，但是均勻性不得大于0.05 ℃，以保證測量精度。將恒溫槽的初始溫度t0=20℃，任選一分度號的補償導線，補償導線的一端短接后插入恒溫槽，另一端接入被校的溫度校驗儀冷端輸入端。另外采用標準鉑電阻溫度計及相應測量儀表(或者標準水銀溫度計) 測量槽溫，鉑電阻溫度計感溫元件端應該與補償導線短接端保持同一高度并盡量接近。待槽溫和被校冷端溫度恒定后，測量此時補償導線參考端的熱電動勢值E1，按下式換算成溫度Δt1。

其中，St0表示該分度號熱電偶在20 ℃時的微分電動勢值。

將恒溫槽溫度調整為t1 = t0 - Δt1 ，待槽溫恒定后，再測量補償導線的熱電動勢值E2，重復以上步驟，直到熱電動勢值E或Δt接近零(或者小于一定值，一般可取Δt<0.1℃) ，即認為恒溫槽的槽溫與冷端溫度一致。此時將被檢溫度校驗儀轉換至測溫檔，讀取儀表指示值td和標準溫度計讀數t標。

然后，將補償導線參考端拆下后接上銅導線，放入恒溫槽中，補償導線的短接端和參考端放置在同一深度并盡量接近，銅導線的兩端同時接到測量標準器上，測量補償導線的熱電動勢Δe。并按照下式得出該溫度校驗儀的冷端補償誤差Δ補。

Δ補= (td - t標)·St標- Δe

式中，Δ補為被校儀器的冷端補償誤差，μV ；

td為被校儀器讀取的溫度示值，℃；

t標為標準溫度計讀取的溫度值，℃；

St標為該分度號熱電偶在標準溫度計所示溫度時的微分電動勢，μV/ ℃；

Δe為補償導線實際溫度下的修正值，μV。

所得出的冷端補償誤差，根據熱電偶的分度表可以分別得出不同分度號熱電偶換算出的溫度值。

這樣校準結果就分成了溫度校驗儀的直流毫伏信號輸出誤差和冷端補償誤差，最大限度的減少了冷端測量和補償導線引起的誤差。

3、基本誤差計算

溫度校驗儀的最后基本誤差按下式計算：

式中:Δt為溫度校驗儀換算成溫度的基本誤差，℃；

ΔA為電量程輸出指示誤差，μV、Ω或mA ；

Δ補為熱電偶輸出時的冷端補償誤差，μV，在校準非熱電偶輸出時，此項為0；

(ΔA /Δt) t 為電量程輸出指示誤差，μV/℃、Ω/℃或mA/℃。

Δt 的最后結果應按照數據修約規則化整到與溫度校驗儀該功能檔的分辨率一致。

結束語

通過對熱電偶校驗儀的電量輸出誤差和冷端補償誤差分別測量，對于高準確度、多功能的溫度校驗儀我們可以更加方便、準確的測量其誤差，達到校準的目的。其校準的測量不確定度實際只是由兩部分組成:電量輸出的不確定度和冷端補償的不確定度。

其中，電量輸出的不確定度與冷端補償的不確定度相比通常較小，在輸出熱電偶信號時，我們可以通過兩者的合成得到溫度校驗儀在各個分度時的測量不確定度，并且通過對冷端補償誤差的更精確測量來校準高精度溫度校驗儀。