高温热电偶是1500~2300℃接触测温的主要传感器, 包括PtRh40-PtRh20, WRe5-WRe26, WRe5-WRe25等类型的热电偶。这些热电偶采用高温热电偶校准装置, 以标准光电高温计为标准器, 采用比较法进行校准, 因为高温热电偶校准装置操作复杂, 为了减小人为操作引入的误差以及减小计量人员的工作量, 提高工作效率, 我们参照相关校准规范或检定规程, 在Windows操作系统下, 利用Labview语言, 通过控制温度控制装置、扫描开关、数字电压表, 实现高温热电偶的自动校准, 设计出一套高温热电偶自动校准软件。

高温热电偶校准装置主要由高温检定炉、温度控制系统、真空充气系统、冷却系统、标准光电高温计、数字电压表、扫描开关、冰瓶等组成, 如图1所示。

校准装置工作原理:将被校传感器插入高温检定炉, 固定在炉膛中间, 与铜导线连接后 (接点插入冰瓶) 接入扫描开关;系统软件控制温度控制系统使高温检定炉加热升温并且稳定在设定温度;真空充气系统、冷却系统为高温热电偶检定炉的辅助系统, 主要是保护炉体及被校传感器;标准光电高温计测量炉膛中间位置的温度;系统软件控制扫描开关切换通道;数字电压表分别读取标准光电高温计和被校传感器的读数, 读数传输给计算机;系统软件通过比较计算得出被校传感器在该温度的误差。

比较法校准方法:炉温升到设置的检定点, 稳定后开始测量, 自标准器开始, 交替顺序测量标准光电高温计的温度和被校传感器的热电动势, 测量次数不少于10次。测量顺序为:标准—被检—标准—被检。标准光电高温计测得炉温实际值按式 (1) 计算。

被校准热电偶在校准点的热电动势误差Δet按式 (2) 和 (3) 计算。

被校准热电偶在校准点的温度误差Δt按式 (4) 计算。

式中:A为石英玻璃透过率修正系数, A=3.4×10-6;Tw为带玻璃窗口标准所测温度值, ℃;t实为不带窗口标准所测温度值, ℃;e被为被校准热电偶在校准温度点附近测得的热电动势算术平均值, m V;S被为被校准热电偶在校准温度点的微分热电动势, m V/℃;t校为校准温度点与实际温度的差值, ℃;t校为校准温度点, ℃;t实为实测温度值 (标准器) , ℃;e分为被校准热电偶分度表上查得的校准温度点的热电动势值, m V。

在高温热电偶校准装置的基础上, 利用Lab VIEW为开发环境编写软件[1]。

根据高温热电偶比较法校准过程, 系统设计流程如图2所示。

本文所设计的系统软件程序模块包括系统设置、自动校准过程模块、标准器管理、被校传感器管理、查询导出等模块。

系统设置模块主要包括数字电压表、扫描开关、温度控制装置等硬件设备信息的设置, 以及计算机与这些硬件通讯参数的设置。

自动校准模块主要包括控制高温检定炉升温并稳定在校准温度、监视炉温判断达到校准要求、控制扫描开关切换通道、读取标准电势值转化成温度、读取被校传感器电势值、计算被校传感器电势值和误差、更新传感器数据信息。

如图3所示自动校准模块界面, 主界面分为几个功能区, 上面一行为标题栏, 显示软件名称和开发单位, 左侧区域有系统配置基本信息、被校传感器信息等, 中间区域为监控曲线显示、采集数据显示, 右侧区域内容主要有标准温度、电势实时显示, 标准量程选择, 开始监控按钮、开始采样按钮以及停止按钮。

自动校准部分源码主要分为两大部分, 一部分是控温监控, 一部分是采样计算, 其中硬件通讯、电势-温度转换等关键程序采用集成模块设计。

标准器管理模块主要是对校准使用的标准器进行管理, 高温热电偶校准装置使用的标准器是标准光电高温计, 主要信息包括标准器名称、型号、编号、量程、证书号、有效期、温度点、电势值、误差等。软件将标准器信息保存在数据库中, 方便校准时调用。

被校传感器管理模块主要是对PtRh40-PtRh20, WRe5-WRe26等类型的热电偶进行管理, 信息包括热电偶名称、型号、编号、校准日期、校准证书号、温度点、电势值、误差等信息, 其中名称、型号、编号、校准日期、校准证书号信息是在校准设置时输入, 温度点、电势值、误差等信息是在校准完成后自动更新。被校传感器管理是用软件操作Access数据库实现, 例如采用Lab VIEW数据库控件组读取Access数据库信息。

查询导出模块主要是对已经完成的校准按照校准批次或被校传感器信息查询, 查看信息并导出记录或证书。软件查询功能主要是利用Lab VIEW数据库控件组操作Access数据库实现, 导出功能主要是利用LabVIEW中OFFICE控件组操作Word, Excel实现, 例如生成证书是利用Word控件实现。

为了验证该自动校准软件的功能, 我们利用该套自动校准软件对PtRH40-PtRh20, WRe5-WRe26等高温热电偶在1500~2200℃范围内进行校准试验, 并按照同样的方法对这些热电偶手动进行了校准, 人为进行了计算, 对这两种方法进行了比较[2,3]。

对同一支PtRh40-PtRh20热电偶在1500, 1800℃进行校准, 与手动校准进行比较, 见表1。

对同一支WRe5-WRe26热电偶在1800, 2000, 2200℃进行校准, 与手动校准进行比较, 见表2。

综上所述, 通过本自动校准系统手动校准比较, 可见, 本系统数据计算准确可靠。

该系统在高温热电偶校准装置的基础上, 参照JJG141-2013《工作用贵金属热电偶》、JJF1176-2007《 (0~1500) ℃钨铼热电偶校准规范》、1500℃-2300℃《钨铼热电偶校准规范》 (申报稿) 处理数据, 以LabVIEW为开发环境编写, 实现控制高温炉升温、采集数据、计算结果、输出结果的自动化, 大大提高了高温热电偶校准的效率, 降低了工作强度, 降低了人为操作引入的误差。通过与其他方式校准的比较, 验证了该系统的准确性。