校準(zhǔn)短型廉金屬熱電偶相關(guān)問(wèn)題探討

摘要:短型廉金屬熱電偶是一類電極長(zhǎng)度較短的可拆卸式廉金屬熱電偶和廉金屬鎧裝偶的統(tǒng)稱。傳統(tǒng)的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法在高溫溫區(qū)往往無(wú)法正確測(cè)量其示值偏差。通過(guò)實(shí)驗(yàn)找到其測(cè)不準(zhǔn)的原因,設(shè)計(jì)研發(fā)接線端恒溫器解決這一問(wèn)題,降低了短型偶示值偏差的擴(kuò)展不確定度。
1引言
　　短型廉金屬熱電偶(以下簡(jiǎn)稱短型偶)是一類電極長(zhǎng)度較短的可拆卸式廉金屬熱電偶(電極長(zhǎng)度為300~500mm;)和廉金屬鎧裝偶(金屬套管長(zhǎng)度為300~500mm)的統(tǒng)稱。傳統(tǒng)的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法在高溫溫區(qū)(300℃以上)往往無(wú)法:準(zhǔn)確測(cè)量其示值偏差。短型偶的測(cè)溫原理,找到其測(cè)不準(zhǔn)的原因,據(jù)此接線端恒溫器,并應(yīng)用于管式爐校準(zhǔn)短型偶。將熱電偶電極(或鎧裝偶金屬套管)在管式爐外露出部分以及熱電偶參考端和補(bǔ)償導(dǎo)線接線處保持恒定溫度;通過(guò)驗(yàn)證其可以減小熱傳導(dǎo)損失熱量對(duì)測(cè)量精度的影響,減小校準(zhǔn)短型偶示值偏差的擴(kuò)展不確定度。
　　標(biāo)準(zhǔn)的5種廉金屬熱電偶的分度號(hào)為:“K、N、E、J、T”,在計(jì)量領(lǐng)域又稱其為工作用廉金屬熱電偶(具有金屬套管外層的又稱鎧裝熱電偶)。工作用廉金屬熱電偶在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用，主要應(yīng)用在設(shè)備的控溫和環(huán)境溫度場(chǎng)的測(cè)量,是中高溫區(qū)最為重要的測(cè)溫傳感器。
　　熱電偶主要是由2種不同材質(zhì)的合金材料組成,測(cè)量端和參考端有溫差則產(chǎn)生塞貝克熱電效應(yīng),回路中產(chǎn)生電勢(shì)。熱電勢(shì)值和溫差具有一定的函數(shù)關(guān)系，使用數(shù)字多用表測(cè)量回路中的熱.電勢(shì)值就可以得到測(cè)量端的溫度,根據(jù)不同型號(hào)熱電偶的分度表,就可以進(jìn)行測(cè)溫。熱電偶一般使用在高溫、氧化、還原等環(huán)境,在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用后，電極的污染和老化造成自身分度表的漂移,所以要定期對(duì)熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn),以確保其示值偏差在一定的允許范圍內(nèi)。
2背景
　　熱電偶的校準(zhǔn)原理就是將被校偶和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量端放置在熱平衡狀態(tài)下的熱源中,參考端置于冰點(diǎn)，通過(guò)數(shù)字多用表測(cè)量其熱電勢(shì)值,通過(guò)和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)以及分度表的比較,得出被校偶在某一溫度點(diǎn)上的示值偏差。根據(jù)國(guó)家規(guī)范JJF1637-2017,其測(cè)量原理如圖1所示。
 
　　傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方法只適用于校準(zhǔn)電極長(zhǎng)度不小于500mm的可拆卸式廉金屬熱電偶(和金屬套管長(zhǎng)度不小于500mm的鎧裝熱電偶)。國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有對(duì)于500mm以下的熱電偶校準(zhǔn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),這種尺寸較短的熱電偶往往大量應(yīng)用于建筑、石化、軍工和航空航天領(lǐng)域,其示值偏差的正確程度還無(wú)法保障。
　　現(xiàn)行的熱電偶相關(guān)檢定規(guī)程中只有工作用貴金屬熱電偶涉及到了短型尺寸(JJG668-1997工作用鉑銠10-鉑(鉑銠13-鉑)短型熱電偶”),但是其測(cè)量方法和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備的指標(biāo)并不適用于短型廉金屬熱電偶和鎧裝熱電偶的測(cè)量。我國(guó)各法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)和相關(guān)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)對(duì)于短型廉金屬熱電偶使用的標(biāo)準(zhǔn)器和配套設(shè)備也沒(méi)有統(tǒng)一要求;國(guó)外對(duì)短型廉金屬熱電偶較少,工作中只進(jìn)行首次檢定,使用過(guò)程中如果發(fā)現(xiàn)示值偏差漂移就做報(bào)廢處理。
3測(cè)不準(zhǔn)的原因
3.1理論分析
　　在實(shí)際工作中,熱電偶絲的材質(zhì)是可靠的,過(guò)程也符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。制成普通尺寸(大于等于500mm)廉金屬熱電偶,示值偏差符合其精度;然而在制成短尺寸(小于500mm)廉金屬熱電偶后,經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)其示值偏差往往出現(xiàn)超差現(xiàn)象，示值偏差多為負(fù)偏差。這一問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好的解決,很多設(shè)備使用短型偶不能保證其精度,其量值無(wú)法溯源到國(guó)家基準(zhǔn)。
　　將同樣材質(zhì)的廉金屬熱電偶,從1000mm截短到300mm,,每個(gè)尺寸使用傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)其示值誤偏差,示值偏差的變差情況，如表1所示。
 
　　廉金屬熱電偶工作用1級(jí)的最大允許誤差為:±1.5℃或+0.6%t;工作用2級(jí)的最大允許誤差為:±2.5℃或+0.75%t。從表中可以看出最大的變差為-1.33℃,這一量級(jí)已經(jīng)嚴(yán)重影響對(duì)被校熱電偶精度等級(jí)的判定。
　　產(chǎn)生這樣結(jié)果的原因是多方面的,其中最重要的還是和熱電偶規(guī)格尺寸相關(guān)。在排除掉人為操作問(wèn)題和設(shè)備測(cè)量重復(fù)性這兩個(gè)原因以后,熱電偶的制造材料還產(chǎn)生較大示值偏差的原因，應(yīng)該發(fā)生在測(cè)量端和參考端兩個(gè)部分。測(cè)量端產(chǎn)生的誤差可能和管式爐溫場(chǎng)均勻性有關(guān),參考端產(chǎn)生的誤差可能和補(bǔ)償導(dǎo)線、轉(zhuǎn)換開關(guān)、參考端和數(shù)字多用表有關(guān)。長(zhǎng)度為300mm左右的熱電偶,插入爐中心后,露出在爐外的部分只有不到150mm;由于熱電偶本身的金屬材質(zhì)也是高效導(dǎo)熱體,這樣會(huì)造成誤差產(chǎn)生原因的變化，熱電偶測(cè)量端的溫度難以和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)以及爐溫保持平衡,熱量通過(guò)熱電偶不斷傳.導(dǎo)到室溫環(huán)境下,然而標(biāo)準(zhǔn)熱電偶還是規(guī)范中要求的正常尺寸，導(dǎo)熱效率也沒(méi)有被校偶高,所以造成了被校偶的測(cè)量端實(shí)際溫度低于標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的測(cè)量端。
3.2測(cè)量端溫差實(shí)驗(yàn)
　　這樣的熱量流失問(wèn)題就是源于被校熱電偶的尺寸較短,這一點(diǎn)在鎧裝熱電偶上表現(xiàn)的更為明顯,其結(jié)果就是校準(zhǔn)后材料可靠的熱電偶的示值偏差往往由于負(fù)偏差不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上述推測(cè)是否正確,從而找到短型偶測(cè)不準(zhǔn)的原因。
 
 
　　圖2、圖3所示將貴金屬熱電偶的測(cè)量端焊接在廉金屬熱電偶的測(cè)量端.上，通過(guò)精度更高的工作用貴金屬熱電偶，測(cè)量廉金屬熱電偶在校準(zhǔn)過(guò)程中測(cè)量端的實(shí)際溫度;比較廉金屬熱電偶測(cè)量端的顯示值和實(shí)際值找到短型廉金屬熱電偶在校準(zhǔn)過(guò)程中示值偏差原因。
 
　　經(jīng)過(guò)整理如圖4所示。由圖4可知，短型偶校準(zhǔn)時(shí),顯示溫度與測(cè)量端實(shí)際溫度的差值隨著管式爐尺寸的減小而增大(熱電偶檢定爐溫場(chǎng)均勻性受其尺寸影響,尺寸較長(zhǎng)的均勻性較好,用于校準(zhǔn)熱電偶所得結(jié)果與真值越接近)，隨著被校偶的長(zhǎng)度尺寸的減小而增大。其變差往往是負(fù)值,驗(yàn)證了對(duì)短型偶測(cè)不準(zhǔn)原因的推測(cè)是正確的。
　　由于材質(zhì)不同、電極直徑粗細(xì)不同被校熱電偶的導(dǎo)熱速率往往比標(biāo)準(zhǔn)熱電偶快,這會(huì)造成被校熱電偶的測(cè)量端和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的測(cè)量產(chǎn)生一定的溫差。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在爐內(nèi)需要使用保護(hù)管,這樣就無(wú)法通過(guò)測(cè)量端的完全接觸解決這一問(wèn)題。由于相關(guān)檢定規(guī)程對(duì)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的尺寸有要求，也不能將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的尺寸截短到與被校偶相同;更無(wú)法通過(guò)較長(zhǎng)的穩(wěn)定溫度時(shí)間來(lái)彌補(bǔ)兩者的溫差;短型熱電偶檢定爐或管式爐溫場(chǎng)均勻性在技術(shù)上提高的空間不大。所以在熱源設(shè)備沒(méi)有重大革新的情況下,在熱電偶接線端附近引人恒溫設(shè)備,這樣可以盡可能地平衡熱電偶在檢定爐內(nèi)外較大溫差引起的熱量流失。
4設(shè)計(jì)方案
4.1接線端溫度實(shí)驗(yàn)
　　熱電偶接線端附近一般由熱電偶偶絲、補(bǔ)償導(dǎo)線和信號(hào)線組成,將接線端溫度保持恒定的設(shè)備稱之為“接線端恒溫器”。在加人接線端恒溫器之前需要確定恒溫的溫度,通過(guò)實(shí)驗(yàn)找到恒溫器在實(shí)際應(yīng)用中控制在多少溫度時(shí)更為合理。
　　使用數(shù)字溫度計(jì)和表面溫度計(jì),測(cè)量短型熱電偶爐外部分溫度、接線端部分溫度和爐溫之間的關(guān)系。從而為接線端恒溫器的設(shè)計(jì)和使用短型熱電偶檢定爐校準(zhǔn)短型廉金屬熱電偶提供依據(jù)。
　　將1支短型偶插人短型熱電偶檢定爐內(nèi),如圖5所示。熱電偶的測(cè)量端位于爐內(nèi)均勻溫場(chǎng)最高溫度處,爐口用防火棉封堵。將熱電偶檢定爐升溫,從下限溫度到上限溫度測(cè)量(300℃、400℃、600℃、800℃、1000℃和120℃)。
 
　　通過(guò)測(cè)量各個(gè)位置絕緣磁珠的表面溫度以及偶絲溫度,得到爐溫與短型偶熱電極爐外部分溫度的關(guān)系,經(jīng)過(guò)整理如圖6所示。
4.2接線端恒溫器的結(jié)構(gòu)
　　接線端恒溫器由加熱組件熱循環(huán)組件、保溫材料和溫控器組成,加熱介質(zhì)為空氣，通過(guò)空氣對(duì)流的方式完成熱電偶接線端部分的熱交換和保溫控溫。其單側(cè)有開口,另一側(cè)封閉,結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。加熱組件有8個(gè)電阻加熱片構(gòu)成,可以快速進(jìn)行升降溫，耐熱風(fēng)扇負(fù)責(zé)對(duì)流循環(huán);保溫簾和保溫罩可以保證恒溫器工作區(qū)域內(nèi)具有200mm長(zhǎng)的軸向均勻溫場(chǎng),溫場(chǎng)內(nèi)任意點(diǎn)溫度偏差不超過(guò)±1℃。
 
　　控溫儀采用雙通道溫度指示控制儀,控溫儀表℃0.5級(jí),分辨力0.01℃,配有熱電阻、熱電偶分度表,可以記錄10組PID調(diào)節(jié)[20]。保溫材料應(yīng)保證恒溫溫度范圍為40~120℃,插人深度不短于300mm,全長(zhǎng)約在500mm左右,工作區(qū)域內(nèi)軸向溫場(chǎng)各個(gè)位置點(diǎn)偏離控溫溫度不大于±2℃。
5實(shí)驗(yàn)結(jié)果和驗(yàn)證
5.1接線端溫度實(shí)驗(yàn)
　　圖8所示為在校準(zhǔn)短型偶中加人接線端恒溫器,通過(guò)熱電偶截短實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有效性。質(zhì)的廉金屬熱電偶，尺寸從1000mm逐步截取到300mm的示值偏差的變差情況。
　　測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)采用1等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶,被校熱電偶采用穩(wěn)定性較好的N型,精度等級(jí)優(yōu)于工作用1級(jí),并且示值偏差經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后的熱電偶。在廠家制成1000mm后，使用傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，參照J(rèn)JF1637-2017《廉金屬熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范》,校準(zhǔn)出各溫度點(diǎn)的示值偏差，以這一值作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較的參考值。
　　從1000mm依次截短到300mm,使用短型檢定爐校準(zhǔn)其各個(gè)溫度點(diǎn)的示值偏差作為與參考值的比較值，比較值減去參考值即為某支熱電偶在該溫，度下示值偏差的變差。
　　數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理和修正，比較使用恒溫器和不使用恒溫器兩種情況下，變差的變化情況。變化小于等于廉金屬熱電偶2級(jí)允差的模的1/3,即可證明接線端恒溫器的有效性，并且找到恒溫器從40~100℃內(nèi),整十度的最優(yōu)控溫溫度點(diǎn)。.
 
5.2數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析
　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算見表2所示,表格中的試驗(yàn)項(xiàng)目從左至右依次進(jìn)行,經(jīng)過(guò)整理曲線如圖9所示。
 
 
　　由上述實(shí)驗(yàn)可知,應(yīng)用接線端恒溫器在校準(zhǔn)短型偶的過(guò)程中有很好的正面影響。在接線端恒溫器恒定在40~60℃左右,短型廉金屬熱電偶(可拆卸式)的示值偏差與原尺寸傳統(tǒng)方法檢定的示值偏差更為接近,可以得出接線端恒溫器校準(zhǔn)短型廉金屬熱電偶是可以在一定程度上減小不確定度,同時(shí)也驗(yàn)證了采用接線端恒溫器的新的校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)短型偶更為正確。
6結(jié)論
　　由以上可知,短型偶在300℃以上,使用熱電偶檢定爐校準(zhǔn)，測(cè)不準(zhǔn)的原因是由于其尺寸過(guò)短,偶絲作為導(dǎo)熱體對(duì)爐溫溫場(chǎng)的平衡有較大的影響,將爐內(nèi)熱量不斷地傳導(dǎo)到爐外,造成其測(cè)量端和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的測(cè)量端無(wú)法達(dá)到熱平衡狀態(tài),從而造成其示值偏差出現(xiàn)了大的負(fù)偏差。短型熱電偶檢定爐爐溫溫場(chǎng)均勻性無(wú)法提高的情況下,短型偶爐外部分使用接線端恒溫器,控溫在40~60℃左右可以減少熱電偶測(cè)量端熱量的流失,測(cè)量結(jié)果與真值更為接近,校準(zhǔn)結(jié)果的擴(kuò)展不確定度更小。