朱欣贇 鄭 偉 龔寶妹 張雪峰 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

熱電偶按結(jié)構(gòu)類型分類，可分為裝配式熱電偶、鎧裝熱電偶、薄膜熱電偶及各種專用熱電偶。裝配式熱電偶通常由熱電極、絕緣材料、保護管和接線盒等部分組成。鎧裝熱電偶由熱電極、絕緣材料和金屬套管組合在一起，并經(jīng)拉伸而成的組合式熱電偶。與裝配式熱電偶相比，鎧裝熱電偶熱慣性小，響應速度快；體積小，熱容量??；可撓性好；機械性能、耐介質(zhì)化學腐蝕性能好。

在JJF 1262-2010《鎧裝熱電偶校準規(guī)范》[1]公布實施之前，并沒有專門針對鎧裝熱電偶的特殊性能實施的規(guī)程或規(guī)范。因此，一般都參照JJG 351-1996《工作用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程》[2]進行校準，即將鎧裝熱電偶與傳統(tǒng)裝配式熱電偶一樣，捆扎成束放入檢定爐中校準。因為外殼是金屬材料的鎧裝熱電偶，在被捆扎成束放入爐內(nèi)后，從測量端區(qū)沿著電纜導熱較大，而且，爐內(nèi)還存在熱對流與熱輻射等，導致溫場變化，使熱電偶束受熱不均勻，最終導致測量結(jié)果分散性較大。根據(jù)JJF 1262-2010校準300 ℃以上鎧裝廉金屬熱電偶時，在管式爐中配置帶插孔的均溫塊，提供恒定的均勻溫場；在臥式檢定爐內(nèi)放置均溫塊后，爐中心為金屬，沒有空氣對流，傳熱方式以導熱為主，溫度波動小，故溫場比較穩(wěn)定[3-4]。

為了驗證兩種方法在300 ℃以上對鎧裝廉金屬熱電偶測量結(jié)果的影響，進行比較試驗。

1 試驗內(nèi)容

1.1 使用設備

1）標準器：一等標準鉑銠10-鉑熱電偶。

2）電測設備：數(shù)字多用表 KIETHLY 2010，最大允許誤差±（0.003 7%讀數(shù)+0.000 9%量程）。

3）恒溫設備：熱電偶檢定爐PWKJ-100M。

放置均溫塊前，軸向均勻溫度場140 mm任意兩點間溫差≤1℃；徑向溫度場任意兩點間溫差≤0.2 ℃。

放置均溫塊后，孔底起算，軸向30 mm內(nèi)溫差0.3 ℃；孔底部同一截面任意孔間溫差絕對值0.12 ℃。

4）掃描開關(guān)：WJ-3H，寄生電勢≤0.2 μV

5）被檢：8支鎧裝K型熱電偶（帶補償導線）

1.2 試驗方法

1.2.1 JJG 351-1996測量方法（管式爐未放置插孔均溫塊）

將一等標準鉑銠10-鉑熱電偶套上高鋁保護管，與被檢鎧裝K型廉金屬熱電偶用細鎳鉻絲捆扎成圓形一束，被檢熱電偶測量端圍繞標準熱電偶測量端均勻分布一周，并確保處于垂直標準熱電偶同一截面上。然后將捆扎成束的熱電偶插入檢定爐中間位置，深度約300 mm。標準熱電偶的參考端與銅導線連接后放入冰瓶，銅導線另一端連接轉(zhuǎn)換開關(guān)。被檢鎧裝熱電偶的補償導線與銅導線連接后放入冰瓶，銅導線另一端同樣連接轉(zhuǎn)換開關(guān)。然后開啟自動測試軟件，當溫度符合要求時進行測量。每支熱電偶進行4次讀數(shù)，取4次讀數(shù)的平均值。每次獨立實驗完成后，檢定爐冷卻至室溫，取出所有熱電偶重新捆扎后再進行實驗。實驗測試2個溫度點，分別為400 ℃與1 000 ℃，結(jié)果如表1、表2所示。

1.2.2 JJF 1262-2010（管式爐放置插孔均溫塊）

與1.2.1方法在同一實驗室環(huán)境條件下，采用了同一套實驗裝置。區(qū)別在于熱電偶檢定爐中放置了插孔均溫塊，均溫塊的幾何中心放置于檢定爐的均勻溫度場中心。然后將標準熱電偶同樣套上高鋁保護管，與被檢鎧裝熱電偶分別插入均溫塊至孔底，并確保不會彈出。其他測量方法同1.2.1。實驗測試兩個溫度點，分別為400 ℃與1 000 ℃，結(jié)果如表3、表4所示。

1.3 兩種方法的比較

由圖1、圖2可見，未放置插孔均溫塊的實驗標準差最大值為1.3 ℃，最小為0.1 ℃；放置插孔均溫塊的實驗標準差最大值為0.4 ℃，最小為0.1 ℃。后者的標準差多數(shù)較前者小，且較為穩(wěn)定。評估兩種方法的測量不確定度，400 ℃時U = 1.5℃（k = 2)，1 000 ℃時U = 1.2 ℃（k = 2)；放置插孔均溫塊400 ℃與1 000 ℃時U = 0.6 ℃（k = 2)，較未放置插孔均溫塊小了近1倍，并小于允差絕對值的1/3。

表1 JJG 351-1996方法400 ℃實驗 單位：℃

表2 JJG 351-1996方法1 000 ℃實驗 單位：℃

表3 JJF 1262-2010方法1 000 ℃實驗 單位：℃

表4 JJF 1262-2010方法1 000 ℃實驗 單位：℃

圖1 400 ℃兩種試驗方法標準差比較

圖2 1 000 ℃兩種試驗方法標準差比較

2 結(jié)語

通過比較實驗，插孔均溫塊對鎧裝廉金屬熱電偶的測量結(jié)果有大幅度的改善，復現(xiàn)性更佳，不確定度更小。可見，依據(jù)JJF 1262-2010對鎧裝廉金屬熱電偶進行校準，在管式爐中配置帶插孔的均溫塊，能夠提供恒定的均勻溫場，溫度波動小，溫場比較穩(wěn)定。實驗結(jié)果更為準確、可靠。

[1]全國溫度計量技術(shù)委員會. JJF 1262-2010[S]. 北京：中國計量出版社，2010.

[2]遼寧省技術(shù)監(jiān)督局. JJG 351-1996 [S]. 北京：中國計量出版社，1996.

[3]王浩，侯素蘭，徐宏光，等. 管式熱電偶檢定爐均勻溫場的研究[J]. 中國計量，2010，10：79-81.

[4]侯素蘭，苗麗，喬新紅. 鎧裝廉金屬熱電偶校準方法的研究[J].中國計量，2012，01：93-94.