热电偶丝热电势的自动检测系统及检测方法

摘要

本发明涉及一种热电偶丝热电势的自动检测系统，该包括放线装置、预处理装置、测试单元、计米器、复绕装置、控制系统、信号采集系统、设置有热电势测试分析系统的计算机，其中放线装置、预处理装置、测试单元、计米器、复绕装置通过被检测热电偶丝动态连接，控制系统通过导线分别与测试单元、计米器、复绕装置连接，信号采集系统通过导线分别与测试单元、计算机连接。本发明能够对热电偶丝热电势进行连续、自动、无损的检测，具有精确高、客观性强的优点，所述的检测系统和方法适用于所有热电偶丝热电势均匀性的全段检测。

说明书

技术领域

本发明属于微电压测量领域，特别涉及一种热电偶丝热电势的自动检测系统及检测方法。

背景技术

热电偶丝是一种工业用测温材料，它利用塞贝克原理将温度信号转换成电信号而达到测温的目的，所以热电偶丝的电势性能是判断其质量优劣的重要指标。热电偶是由正、负两极不同的热电偶材料组成，在相关国标及行业标准中对正、负两极的热电势性能的均匀性和定点（如锌点、铝点、铜点）电势都有明确的公差要求，而且对测试方法也有明确的规定。

工业用热电偶丝生产中通常每卷丝达几百米甚至上千米，传统的热电偶丝热电势检测是取约1米长样品退火后与标样作对比检测。这种检测方法是一种破坏性的检测方法，这种方法不能用于生产中的要求对热电偶丝的全部检测。目前，国标中规定对热电偶丝热电势均匀性检测采用抽样检测：头、尾分别连续取三段约1米长热电偶丝测试其电势值，测试的平均值作为判断整卷丝的电势平均值，测试电势最大值与最小值的差作为判断整卷丝的不均匀性。由于这种方法不能对整卷丝材进行均匀性检测，国标规定的测试方法具有一定局限性，它的前提是整卷丝的热电势均匀性波动不大。而事实上,合金材料由于熔炼带来的成分不均匀以及偏析及加工工艺差异难以避免热电偶丝的热电势在头、中、尾产生较大波动。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种热电偶丝热电势的自动检测系统，该系统由放线、退火、自动测试、计数器、收线等装置组成一套热电偶丝材的连续测试设备，在国内率先实现了热电偶丝电势均匀性检测的无损性、连续性和自动化。

热电偶丝热电势的自动检测系统，包括放线装置、预处理装置、测试单元、计米器、复绕装置、控制系统、信号采集系统、设置有热电势测试分析系统的计算机，其中放线装置、预处理装置、测试单元、计米器、复绕装置通过被检测热电偶丝动态连接，控制系统通过导线分别与测试单元、计米器、复绕装置连接，信号采集系统通过导线分布与测试单元、计算机连接；

所述信号采集系统控制并显示出采集信号，信号采集系统由数字万用表和开关组成，被检定热偶丝和标准偶丝通过导线与开关相连，开关再通过导线与数字万用表相连；

设置有热电势测试分析系统的计算机将每次采集的电势信号记录自动生成热电势曲线。

所述预处理装置由加热炉和温控仪组成，温控仪通过热电偶与加热炉的炉管连通。

所述测试单元包括管式加热炉、控温热电偶、接线块、标准热电偶丝，管式加热炉的一侧设置有压下装置，压下装置与被测热电偶丝接触，接线块置于管式加热炉的炉管中央，接线块设有供被测热电偶丝穿过的中心孔，标准热电偶丝的一端固定在接线块中心孔的一侧，另一端通过导线与信号采集系统相连。

所述压下装置包括横杆、竖杆和手柄，其中手柄设置在横杆上，横杆的两端分别固定有垂直于横杆的竖杆，竖杆的端头设置有带有凹槽的压块。

所述压块为不导电胶木块，所述横杆、竖杆采用金属杆。

所述接线块为圆金属片，其外径与炉管内径相同，与炉管轴向垂直置于炉管的中央。

本发明的第二个目的是提供一种本专利采用无损连续自动的测试方法,该方法能够对热电偶丝热电势进行连续、自动、无损的检测，具有精确高、客观性强的优点。本发明所述的检测系统和方法适用于所有热电偶丝热电势均匀性的全段检测。

热电偶丝热电势的自动检测方法有以下步骤：

1）将一卷被测热电偶丝放于放线装置上，一端头依次穿过预处理装置的加热炉、测试单元的管式加热炉、经计米器绕线轮，固定在复绕装置上的收线筒上；

2）测试前将预处理装置和测试单元设定为800～1600℃；

3）启动控制系统，按下“启动”键，测试单元、计米器和复绕装置同时启动，测试单元的压下装置抬起，计米器开始计算被测热电偶丝的运行长度，复绕装置对被测热电偶丝排线复绕，复绕装置开始复绕排线；按下“停止”键，测试单元、计米器和复绕装置同时停止工作，测试单元的压下装置压下，计米器停止计算被测热电偶丝的运行长度，复绕装置停止排线的复绕，复绕排线停止工作，同时自动启动信号采集及测试分析系统； 

当复绕排线停止工作时，压下装置自动压下，将被测热电偶丝推向接线块，将被测热电偶丝、标准热电偶丝、开关和数字万用表连通成回路，数字万用表开始自动采集电势信号，并通过计算机传输给热电势测试分析系统形成采集记录，信号采集系统将每次采集的热电势信号记录自动生成热电势曲线，信号采集系统每次完成信号采集后，控制系统又重新启动复绕排线；

采集数据经热电势测试分析系统自动生成相应曲线，上述1）-3）步骤交替进行直至被测热电偶丝测试完毕，检出整卷热电热电偶丝的热电势。

复绕排线的从工作到停止的间隔时间由系统自动控制，其间隔时间为0.5～5min。

本发明的优点及有益效果

（1）本发明实现了热电偶丝热电势的无损、自动、连续、全段检测,该系统可有效监控和分析热电偶丝全段热电势均匀性水平,有利于热电偶丝的精确配对和筛选出不合格品。

（2）现行国标对热电偶丝热电势的检测是检测头、尾样品，而本发明通过全段热电势检测和分析实现了分段精确配对，经测试配对的热电偶丝精确度更高、可靠性更好、优等品更多。 

（3）本发明自动化程度高，有效提高了工作效率，比传统的工艺提高60%以上效率。

所述的检测系统和方法适用于所有热电偶丝热电势均匀性的全段检测，特别适用于S(铂铑10-铂) 、R(铂铑13-铂)、B(铂铑30-铂铑6)、N型(镍铬 硅-镍硅镁)、K型(镍铬-镍硅)、E型(镍铬-铜镍)、J型(铁-铜镍)、T型(铜 -铜镍)等热电偶丝热电势均匀性检测。

本发明所述的加热炉、自动排线装置、电气控制开关、数字万用表均采用市场销售的常规产品。

附图说明

图1为检测系统的示意图；

图2为计米器的示意图；

图3为复绕装置的示意图；

图4为压下装置的示意图；

图5为检测方法的流程图。

图中，1为金属横杆，2为金属竖杆，3为压块，4为手柄，5为绕线轮，6为计数器，7为电机，8为收线筒，9为自动排线装置，10为复绕装置，11为放线装置，12为热电偶丝，13为预处理装置，14为控制装置，15为测试单元，16为信号采集系统，17为计算机，18为接线块，19为压下装置，20为计米器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

参见图1，本发明的检测系统包括复绕装置10、放线装置11、预处理装置13、控制系统14、测试单元15、信号采集系统16、设置有热电势测试分析系统的计算机17组成、计米器20。其中，

放线装置：由不锈钢架、胶木锥形线筒和轴承组成，胶木锥形线筒通过轴承安装在不锈钢架上。热电偶丝在测试时可放于胶木锥形线筒上，一端线在拉力下持续引出，轴承在线筒受切线拉力下持续转动，热电偶丝也随之不断引出。

预处理装置：由加热炉和控温系统组成，主要作用是对被测偶丝进行退火预处理，消除偶丝加工应力，使偶丝热电势处于稳定状态。加热炉炉管为高纯刚玉管，加热材料为铂铑合金丝，炉管规格为? (20-30) mm×(800-1000)mm，加热炉最高控温达1600℃，控温热电偶为PtRh10-Pt热电偶。

测试单元：参见图1，测试单元由管状加热炉、控温热电偶、接线块、标准偶丝等组成，主要作用是在一定温度下对被测偶丝与标准偶丝的热电势作对比测试。本测试单元的管状加热炉仅用于对测试温度的控制，其规格比预处理装置中的加热炉规格小。测试单元的管状加热炉炉管规格为? (20-30) mm×(20-30)mm，最高控温达1600℃。控温热电偶和炉管材料与预处理装置中的加热炉相同。接线块为一中间带孔的圆形金属片，其外径与炉管内径相同，置于炉管的中央，金属圆片的面与炉管轴向垂直放置。金属圆片上焊接有标准偶丝，标准偶丝另一端通过导线与信号采集系统相连。被测偶丝从金属片中间圆孔穿过，当测试时C中管状炉两端压下装置自动压下，此时被测试偶丝12的一端通过接线块18与标准偶丝相连，另一端通过压下装置接点与导线、信号采集系统相连，从而使标准偶丝、连接块、被测偶丝、系统采集装置等形成闭合联通，以检测热电偶丝的热电势。

参见图1和图4，测试单元的一侧放置有压下装置19，该装置包括横杆、竖杆和手柄，所述横杆、竖杆采用金属杆。其中手柄4设置在横杆1上，横杆的两端分别固定有垂直于横杆2的竖杆，竖杆的端头设置有带有凹槽的压块3。所述压块为不导电胶木块。在检测热电偶丝的热电势时，当需要被测热电偶丝与标准热电偶丝接触时，压下手柄，使胶木块凹槽处压住被测热电偶丝并紧密接触，使被测试偶丝通过压下装置接点与导线、信号采集系统相连，从而使标准偶丝、连接块、被测偶丝、系统采集装置等形成闭合联通。

参见图2，计米器：通过计数器6通过轴承与绕线轮5相连，以计算被测热电偶丝的长度及圈数。被测热电偶丝在绕线盘上绕一圈后再连接复绕收线装置，绕线盘每转动一圈即为通过的被测热电偶丝长度为绕线盘直径的长度，由此计算显示偶丝精确长度。

参见图3，复绕装置：该装置由电机7、自动排线装置（本实施例采用KD-2C型，杭州永胜电子机械厂）9及收线筒8（锥形线筒通过轴承安装在架子上）组成。电机控制收线速度,自动排线装置控制排线的间距及宽度，收线筒将丝材卷规整。

控制系统：由电气控制开关与测试单元、计米器和复绕装置电连接组成，实现系统的联动控制。当按下电气控制开关“启动”键时, 测试单元、计米器和复绕装置同时启动，压下装置抬起,计米器开始计算运行长度，开始对热偶丝排线复绕。当按下电气控制开关“停止”键时, 测试单元、计米器和复绕装置同时停止作业:压下装置压下,计米器停止计算运行长度，停止排线复绕。 

信号采集系统：由开关和数字万用表组成。被检定热偶丝和标准偶丝通过导线与开关相连，开关再通过导线与数字万用表相连。当控制系统停止时,压下装置压下，此时被测偶丝、标准偶丝、开关和数字万用表连通成回路，信号采集系统启动，系统将采集的电信号转换为数字信号显示出来,并将采集信号传输给计算机中的热电势测试分析系统形成相应记录。

计算机中的热电势测试分析系统将每次采集的热电偶电势信号记录自动生成热电势曲线,通过系统分析判断热偶丝热电性能是否合格。如果合格再判定是什么等级的产品。

本发明所述的检测方法如下：参见图5

（1）控温：在测试前首先将预处理装置和测试单元控制至设定温度（根据测试所需在800～1600℃温区取值）。

（2）安装偶丝：将一卷被测热电偶丝放于放线装置上，引出一端头依次穿过预处理装置的加热炉、测试单元管状加热炉、计米器绕线轮，最后将端头固定在复绕装置上的收线筒上。

（3）复绕排线：安装被测热电偶丝后，启动控制系统，测试单元、计米器和复绕装置同时启动，开始复绕排线；复绕排线停止，同时自动启动信号采集及测试分析系统。复绕排线开始和停止的间隔时间根据被测热电偶丝的均有程度设定，其间隔时间为0.5～5min。

（4）信号采集和数据分析：当复绕排线停止工作，数字万用表自动进行电势信号采集，每次完成信号采集后又重新启动复绕排线，如此往复不断循环，直至被测偶丝测试完毕。采集数据经热电势测试分析系统自动生成相应曲线，对一些异常的数据作出相应的标记。

（5）卸下偶丝：测试完毕后从复绕线盘上卸下被测热偶丝。

（6）关闭系统：关闭控温及测试分析系统。

检测结果评价

（1）评价标准：热电偶丝是由正极和负极材料配对组成，其热电势表示方法为正、负两极电势之差：E = E_正－E_负，E_正和E_负是偶丝某一被测点相对于标准偶丝热电势的偏离值，可能为正值也可能为负值。例如：E_正 = 3μV，E_负 = -3μV，则 E = E_正－E_负 = 6μV；如果E_正 = 3μV，E_负 = 3μV，则 E = E_正－E_负 = 0μV。所以可以判断：①当偶丝正负热电势同高或同低时，其配对电势更接近标准值；②偶丝正极高值配负极低值，则配对偶丝电势向正值方向偏离更多；③偶丝正极低值配负极高值则配对偶丝电势向负值方向偏离更多。

（2）数据分析评价：热电势测试分析系统根据（1）所述的评价标准及偶丝优先配对原则，系统经过分析会自动将热偶丝按数据高、中、低分为几段。然后进行最优化的分段配对。部分配对超标偶丝判定为不合格品，筛选出来后进入不合格品处理程序。

实施例1.

复绕装置10、放线装置11、预处理装置13、控制系统14、测试单元15、信号采集系统16、设置有热电势测试分析系统的计算机17组成、计米器20

放线装置的胶木锥形筒尺寸为：筒上端直径为?110mm，筒底端直径为?120mm，筒高120mm；预处理装置：炉管内径为?20mm, 外径为?30mm，长度为1000mm，炉管加热丝为?1.0mm的PtRh20合金丝材，控温热电偶为一等标准PtRh10-Pt热电偶；测试单元：炉管规格为内径? 20 mm，外径? 30 mm，长度20mm，最高控温1500℃，控温热电偶为一等标准PtRh10-Pt热电偶，炉管中接线块材料为铂块；计米器：计米器上的绕线盘直径为?50mm；G信号采集系统：数字万用表采用7081型数字万用表，开关采用B4-65开关；设置有热电势测试分析系统的计算机（Windows XP系统）。用于S(铂铑10-铂) 、R(铂铑13-铂)等热电偶丝热电势均匀性检测。

具体操作是：测试前将预处理装置和测试单元设定为1500℃；启动控制系统，设置复绕排线间隔时间参数为3min；复绕装置开始复绕排线，当按下“启动”键时，测试单元、计米器和复绕装置同时启动，测试单元的压下装置抬起， 计米器开始计算运行长度，复绕装置开始对热电偶丝排线复绕。当按下“停止”键时，测试单元、计米器和复绕装置同时停止作业，测试单元压下装置压下,计米器停止计算运行长度，停止排线复绕，复绕排线间隔时间由系统自动控制，每间隔3min，复绕排线停止工作，同时自动启动信号采集及测试分析系统，并通过计算机传输给热电势测试分析系统形成相应记录，信号采集系统将每次采集的电势信号记录自动生成热电势曲线，信号采集系统每次完成信号采集后，控制系统又重新启动复绕排线。

采集数据经热电势测试分析系统自动生成相应曲线，复绕排线停止工作，数字万用表自动进行电势信号采集，每次完成信号采集后又重新启动复绕排线，如此往复不断循环，直至被测偶丝测试完毕，检出整卷热电热电偶丝的热电势。

检测500米的S型PtRh10-Pt热电偶丝均匀性检测部分数据表表1所示，对整卷偶丝进行检测后，取样测试两个高值点4和16及中间值点18的热电势，满足国标GB/T 1598-2010对于S型PtRh10-Pt热电偶丝热电势要求，整卷偶丝均匀性好，达到标准要求。

    

表1 S偶丝热电均匀性检测数据表  μV

实施例2

预处理装置中炉管加热丝材料由为PtRh30合金丝材，炉管最高控温温度为1600℃，复绕排线间隔时间为1min，其它同实施例1。用该方法对400米的R型PtRh13-Pt热电偶丝进行了均匀性检测，整卷偶丝均匀性好，经检测，达到标准要求。

该装置可用于S(铂铑10-铂) 、R(铂铑13-铂)、B(铂铑30-铂铑6)等热电偶丝热电势均匀性检测。

实施例3

预处理装置的管状炉为铁铬铝合金丝材(0Cr21A16Nb、0Cr27A17Mo2等)，炉管控温温度为800℃，复绕排线间隔时间为5min，其它同实施例1。用该方法对200米的K型热电偶丝进行了均匀性检测，整卷偶丝均匀性好，经检测，达到标准要求。

该装置可用于N型(镍铬硅-镍硅镁)、K型(镍铬-镍硅)、E型(镍铬-铜镍)、J型(铁-铜镍)、T型(铜 -铜镍)等热电偶丝热电势均匀性检测。