用于检定工作用廉金属热电偶的数字表的确认
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【摘要】针对在电厂中广泛使用的工作用廉金属热电偶检定用数字表的选择问题，对数字表的准确度进行计算分析，进而得到用于检定工作用廉金属热电偶的数字表的选择方法，对电厂热电偶检定系统的建标起指导和规范作用。
【关键词】工作用廉金属热电偶 检定 数字电压表 确认
ABSTRACT：Regarding with the problem of selection in digital volt meter used in working base metal thermocouple’s verification，we calculate and analyze the accuracy of digital voltmeter.Consequently method of selection is obtained which will guide and regulate standard items of thermocouple calibration system in power plant.
KEY WORDS：working base metal thermocouple;calibration;digital voltmeter;validation
1.引言
在工业自动化测量和控制领域，温度的测量非常广泛，在生产中起非常重要的作用。热电偶是温度测量中最常用的检测元件，其检定方法的正确与否直接影响温度的测量及工业安全。热电偶的工作原理是，当其两端（由不同材质的导体组成）有温度梯度时会有电流流过，进而产生电压。因此，对热电偶的检定，实际上是对小直流电压的检定，然后再通过分度表得出温度值。JJG 351-1996 《工作用廉金属热电偶检定规程》明确规定，检定用的设备应为准确度不低于0.02级、最小步进值不大于1uV的低电势直流电位差计或具有同等准确度的其他设备。
2.热电偶检定用数字表现状
目前由于数字仪器的快速发展，直流数字电压表已代替传统的低电势直流电位差计用于对热电偶两端电压的检定。笔者在对电厂的数字表检定过程中，发现用于工业热电偶检定的数字表多采用keithley2000、HP34401A六位半的数字表，少数电厂选择了keithley2001、keithley2010、HP34420A七位半数表、keithley2002八位半数表以及keithley2182纳伏表。这些数字表的测量误差存在差别，是否满足检定规程所需的条件对电厂能否正确建标起关键作用。
为便于比较，把各表的量程、分辨力、年稳定度等信息列于表1。
表1 准确度：±（ppm×读数+ppm×量程）
型号 量程 分辨力 年准确度
Keithley2000 100.0000mV 0.1uV 50+35
HP34401A 100.0000mV 0.1uV 50+35
Keithley2001 200.00000 mV 0.01 uV 37+6
Keithley2010 100.00000mV 0.01 uV 37+9
HP34420A 10.000000mV 0.001uV 50+3
100.00000mV 0.01uV 40+4
Keithley2002 200.000000mV 0.001uV 19+9
Keithley2182 信道1 10.000000mV 0.001 uV 20+4
100.00000mV 0.1 uV 10+3
信道2
100.00000mV 0.1 uV 10+6
由于热电偶在电厂的用途主要在高温测量上，因此省内对工作用廉金属热电偶的检定温度一般选到0～800℃。另外，根据规程规定，在温度为300℃以下时，工作用廉金属热电偶检定选用的标准装置是2等水银温度计。因此，当温度超过300℃时，工作用廉金属热电偶检定选用的标准装置为标准铂铑10-铂热电偶，它的使用温度范围是300℃～800℃。查JJG 351-1996 《工作用廉金属热电偶检定规程》以及JJG 75-1995 《标准铂铑10-铂热电偶》的分度表可知，各种工作用廉金属热电偶的电动势分布在0～62mV范围内，铂铑 10-铂热电偶的电动势分布在2.3mV～7.4mV范围内。
3.对目前使用最多的数字表进行准确度计算与分析
以34401A和keithley2000为例，选择电厂常用的560℃温度点对两种常用的数字表准确度等级进行判定。
被检热电偶选用一级镍铬-镍硅（K型）热电偶，在560℃温度点，被检热电偶对应的电动势为23.203mV，选择数字表的100mV量程。测量该点得到的绝对误差为：
相对误差为：
标准热电偶选用二等标准铂铑10-铂热电偶，在560℃温度点，标准热电偶的电动势为4.833mV，选择数字表100mV量程。测量该点得到的绝对误差为：
相对误差为：
由以上计算可得，六位半表HP34401A和keithley2000并不满足JJG 351-1996所规定的“检定用的设备应为准确度不低于0.02级”要求。
用同样的方法计算可得，七位半表keithley2001（最小量程200mV）和keithley2010（最小量程100mV）对标准热电偶来说在560℃温度点，其准确度分别为0.02853%和0.02232%。同样也计算出八位半表keithley2002（最小量程200mV）的准确度为0.039%。
比较七位半和八位半表的准确度数据可以看出，八位半表的准确度反而比七位半表的准确度还差，这与我们所掌握的常识“位数越多的表准确度越高”背道而驰。下面将对准确度等级的计算公式进行分析：
（1）
对（1）式变形得到：
（2）
（2）式的第一个因子是定值，第二个因子随着Ux的变化而变化，由于Ux≤Um所以公式的第二个因子恒为正，最小为零。拿最小量程均为200mV的keithley2001和keithley2002做比较，来分析影响测量准确度的原因。对keithley2001来说a=37，b=6，keithley2002则a=19，b=9，因此keithley2001的准确度为：
keithley2002的准确度为：
令1/24.67
因此只要满足，八位半表keithley2002的准确度就低于七位半表keithley2001。
另外观察（2）式可知，式中a，b均为定值，可从数字表的技术条件中查得，对准确度影响最大的是Ux和Um的关系，若UxUm，则值越大;相反Ux与Um的值越接近值越小，也就是DVM准确度越高。因此，我们可以得出结论：被测量的值与量程越接近时，准确度越高。
4.结论验证
以HP34420A和Keithley2182纳伏表为例，验证上述结论的正确性。对于HP34420A，被测热电偶选择100mV量程，算出相对误差为，标准热电偶选择10mV量程，相对误差为;对于Keithley2182，其被测与标准热电偶的量程选择与HP34420A相同，算出的相对误差分别为0.00283%和0.00359%。可见，纳伏表HP34420A和Keithley2182 虽均为七位半表，在此特定的测热电偶条件下，准确度均高于八位半表，也满足JJG 351-1996 《工作用廉金属热电偶检定规程》的规定。而其高于其他七位半表的原因也在于Ux与Um的值接近。
5.总结
对于电厂热电偶的建标人员，在选择检定热电偶的数字仪表时，要摒除以显示位数或分辨力为判断条件的错误方法，而应根据所测信号与数字表量程的关系以及相对误差的大小来正确选择数字表。
对于各电厂已配置的不符合检定规程的数字表，各省最高电测检定机构应尽快对其进行指导改正，防止对生产带来损失。
参考文献
[1]JJG 351-1996工作用廉金属热电偶检定规程[S].
[2]JJG 75-1995标准铂铑10-铂热电偶[S].
[3]潘书军，高欣婷.热电偶检定系统电测仪器选择的误区[J].航空计测技术，1999.
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[5]高丽.一等标准铂铑10-铂热电偶不确定度评定[J].山西科技，2010.
[6]宋晓光，刘龙.热电偶检定时电测设备精度等级的确定[J].河北理工学院学报，2003.
作者简介：
荆臻（1981―），女，硕士，讲师，工程师，研究方向：电测计量技术。
王莉（1970―），女，高级工程师，研究方向：电测计量技术。
姜荣华（1968―），女，工程师，研究方向：电测计量技术。