淺談廉金屬熱電偶校準(zhǔn)

摘要:JJF1637－2017《廉金屬熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范》(以下簡稱規(guī)范)是JJG351－1996《工作用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程》的修訂版,。本文對新規(guī)范更新的幾個(gè)方面進(jìn)行探討和對涉及重要設(shè)備技術(shù)指標(biāo)修訂的原因進(jìn)行論述,，從測量不確定度評定角度分析其對測量結(jié)果的影響,，并給出合理選擇設(shè)備的建議，達(dá)到落實(shí)好新規(guī)范，最終提高熱電偶校準(zhǔn)水平的目的,。
0引言
      隨著科技的進(jìn)步,，計(jì)量的發(fā)展,，在2018年3月實(shí)施了JJF1637－2017《廉金屬熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范》，代替已使用22年的JJG351－1996《工作用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程》,。
新規(guī)范與JJG351－1996相比,，除了編輯性修改外，更改的地方有以下幾個(gè)方面:①增加標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)做低溫?zé)犭娕紲y量標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算公式;②更換了原規(guī)程中的計(jì)算實(shí)例;③更改了整百攝氏度熱電動勢和溫度對照表計(jì)算方法;④刪除了管式爐爐溫溫場測試方法及熱電偶的分度表;⑤附錄部分增加了熱電動勢和溫度示值偏差測量不確定度評定示例;⑥刪除了新制造熱電偶校準(zhǔn)前退火工作;⑦廉金屬熱電偶的校準(zhǔn)范圍和長度發(fā)生了變化;⑧恒溫設(shè)備技術(shù)要求發(fā)生了變化;⑨增加了補(bǔ)償導(dǎo)線技術(shù)要求和補(bǔ)償導(dǎo)線的校準(zhǔn)方法;⑩電測儀表精度等級與被校熱電偶的精度等級對應(yīng)起來,。其中①～⑤是對原規(guī)程存在一些漏洞,、不實(shí)用等地方進(jìn)行修訂,，以滿足當(dāng)前對廉金屬熱電偶校準(zhǔn)的各種技術(shù)要求;⑥經(jīng)過多次試驗(yàn),，在校準(zhǔn)階段進(jìn)行退火，示值變化很小,，因此刪除了新制造熱電偶校準(zhǔn)前退火工作;⑦在校準(zhǔn)中熱電偶的測量結(jié)果受到其長度影響,，對被校準(zhǔn)熱電偶長度提出不短于500mm要求。
1恒溫設(shè)備技術(shù)要求發(fā)生了變化
      根據(jù)JJG351－1996《工作用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程》中對測量結(jié)果的影響量進(jìn)行不確定度評定見表1,，看出溫場分布不均勻?qū)y量結(jié)果影響很大達(dá)到3.53μV,，對測量結(jié)果的不確定度影響比重占第三位，所以對提高恒溫設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)至關(guān)重要,。新
規(guī)范對測量結(jié)果影響量較大的檢定爐溫場分布不均勻提高了要求,，配置均溫塊，溫場指標(biāo)由原來有效空間不大于1℃,，改為現(xiàn)在軸向溫場不大于0.5℃,，徑向溫場不大于0.25℃，這樣對測得值不確定度的影響就降低了一倍以上,。檢定爐溫場導(dǎo)熱主要靠空氣流動和熱輻射,，這兩種方式容易受外界影響造成導(dǎo)熱不夠均勻，在多年的熱電偶校準(zhǔn)工作中發(fā)現(xiàn)檢定爐溫場很難達(dá)到規(guī)程規(guī)定技術(shù)要求,，特別是有負(fù)載的情況下溫場出現(xiàn)階梯式溫差,。

      保證檢定爐溫場分布均勻，就需要研究穩(wěn)態(tài)溫場的種類和影響因素,，在穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱中,，決定物體內(nèi)溫度分布的是導(dǎo)熱系數(shù)(或稱導(dǎo)熱率)，金屬的導(dǎo)熱率好,，能起到溫場均勻的作用,，而將均溫塊應(yīng)用在檢定爐上可以解決長期以來溫場均勻性差的問題。均溫塊結(jié)構(gòu)是一端封死,，一端開口,，開口端插入熱電偶到其底部，該端可以是單孔或多孔,。均溫塊一般放置檢定爐正中心,，允許有10mm的偏移量,，位置最終以上級校準(zhǔn)溫場時(shí)放置位置為準(zhǔn)。工作時(shí)將檢定爐兩端爐口用高溫棉密封,，減少空氣的流動,，均溫塊利用金屬的導(dǎo)熱性能，在控溫穩(wěn)定情況下,，均溫塊的內(nèi)部分子會快速均勻傳遞熱能,，保持一定范圍內(nèi)有效空間溫度均勻，符合新規(guī)范技術(shù)要求,。均溫塊的材料選擇是關(guān)鍵,，首先考慮是導(dǎo)熱性，各種金屬的導(dǎo)熱系統(tǒng)是不同的,，導(dǎo)熱系數(shù)愈大的金屬,，其導(dǎo)熱性愈好。這樣的金屬在加熱時(shí),，溫度升高比較迅速和均勻,。熱量能很快傳到整個(gè)金屬上，容易溫度平衡,，整體溫度均勻,，形成一個(gè)穩(wěn)定的空間;其次校準(zhǔn)熱電偶時(shí)溫度加熱到1200℃，隨著溫度升高,，金屬原子和氧原子的活力能力增大,，會加速氧化，強(qiáng)度下降,，必須保證在其溫度下不產(chǎn)生塑性變形和斷裂;還要考慮膨脹性,，絕大多數(shù)金屬在溫度升高時(shí)，體積會膨脹,，在制作成品時(shí)考慮膨脹因素,，使均溫塊與檢定爐爐體很好配合，更有利于溫場的均勻穩(wěn)定,。常見合金材料GH3030制作均溫塊的軸向溫場試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2,，特殊金屬材料DZ125制作均溫塊的軸向溫場試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

      從表2可以看出在1000℃以下溫場分布很好,，符合最新規(guī)范要求,，溫度升到1000℃時(shí)溫場分布就變差了，原因是GH3030的導(dǎo)熱率可適用范圍是900℃,，超過900℃合金內(nèi)部組織就發(fā)生變化,，自由電子的運(yùn)動規(guī)律遭到破壞，在宏觀上導(dǎo)熱性能發(fā)生不均勻的變化。表3看出由于均溫塊材料選擇合適,，正向和反向兩次測量軸向溫場的溫差數(shù)據(jù)技術(shù)指標(biāo)符合新規(guī)范要求,。
2增加了補(bǔ)償導(dǎo)線技術(shù)要求和補(bǔ)償導(dǎo)線的校準(zhǔn)方法
      新規(guī)范7．3．2條要求標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和被校熱電偶參考端都置于0℃，如果熱電偶參考端不為0℃,，則需要用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)或溫度傳感器測量熱電偶參考端環(huán)境溫度,，將測得的環(huán)境溫度用分度表的值進(jìn)行換算，得到補(bǔ)償熱電動勢,，對熱電偶進(jìn)行補(bǔ)償,。原因是熱電偶參考端溫度和其靠近的環(huán)境溫度是有區(qū)別的，特別是校準(zhǔn)較短,、較粗的熱電偶,，受熱電極熱傳導(dǎo)的影響，參考端的溫度要高于鄰近的環(huán)境溫度,。這樣使用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)或溫度傳感器測量鄰近的環(huán)境溫度,，不能真正反映熱電偶參考端溫度,。另外,，爐溫的不同，熱電偶的參考端溫度也不同,。由于不同類型的電偶有不同的熱電特性,，且用同一個(gè)參考端熱電動勢補(bǔ)償幾支熱電偶是不合理的，因此新規(guī)范提出了連接的具體要求,。［4］
從表1不確定度評定中,，看出補(bǔ)償導(dǎo)線引入的分量是11.25μV，影響比重是最大的,。新規(guī)范6.2.2條要求補(bǔ)償導(dǎo)線滿足室溫到70℃范圍內(nèi)允許偏差±0.2℃,，K分度補(bǔ)償導(dǎo)線在30℃時(shí)，誤差±8.45μV,，按均勻分布考慮,，半寬為8.45μV，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:8.45/槡3=4.88μV,。從技術(shù)指標(biāo)上嚴(yán)格要求,，提高校準(zhǔn)水平。［4］
在一定溫度范圍內(nèi)和所連接的熱電偶具有相同熱電特性的廉金屬導(dǎo)線,，稱為熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線,。需要嚴(yán)格篩選符合要求的補(bǔ)償導(dǎo)線才能使用。自然就需要對補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn),，焊接成熱電偶的測量端應(yīng)牢固,，圓滑，具有金屬光澤，無玷污變質(zhì),，無裂紋,，無氣孔和夾灰、夾渣等現(xiàn)象,。為了減少傳熱誤差和動態(tài)誤差,，要求焊點(diǎn)的尺寸應(yīng)盡量小些，通常為兩倍熱電偶絲直徑,。補(bǔ)償導(dǎo)線測量端焊接需要專用設(shè)備,，如何選擇設(shè)備可參見表4，也可以根據(jù)工作需要進(jìn)行合理選擇,。

3電測儀表精度等級與被校熱電偶的精度等級對應(yīng)起來
      JJG351－1996《工作用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程》中規(guī)定0.02級電測儀表可以開展所有等級廉金屬熱電偶校準(zhǔn),，表1中0.02級電測儀表不確定度分量2.29μV。在新規(guī)范設(shè)備技術(shù)要求中提高電測儀表精度等級要求,，0.02級電測儀表只能開展Ⅱ級廉金屬熱電偶校準(zhǔn),，0.01級電測儀表才可以開展所有等級廉金屬熱電偶校準(zhǔn)，不確定度分量是0.29μV,。新規(guī)范對電測儀表技術(shù)指標(biāo)要求有所提高,，選擇電測儀表依據(jù)是精度等級，而在測量結(jié)果不確定度評定實(shí)例選擇電測儀表使用的是最大允許誤差,，這兩者的關(guān)系不清楚,。在JJF1262－2010《鎧裝熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范》、JJG141－2013《工作用貴金屬熱電偶檢定規(guī)程》等文件中都提到使用電測儀表的精度等級,，而具體精度等級的含義在這兩個(gè)文件中沒有直接說明,。技術(shù)人員長期以來模棱兩可，需要從技術(shù)角度衡量和考核,。有必要描述一下精度等級的含義及來源,，探討如何依據(jù)這個(gè)指標(biāo)選擇電測儀表。［3－6
      在《軍事計(jì)量基礎(chǔ)》給出了正確的解釋,，精度等級是符合一定的計(jì)量要求,，使誤差保持在規(guī)定極限以內(nèi)的儀表的等別、級別,。它是一個(gè)定量的指標(biāo),，用等級指數(shù)表示，等級指數(shù)在數(shù)值上等于用相對誤差百分?jǐn)?shù)表示的基本誤差,，所以可以通過相對誤差來計(jì)算求得,。電測儀表大多數(shù)是指數(shù)字多用表，它的技術(shù)指標(biāo)都用最大允許誤差來表示,，現(xiàn)在從計(jì)量專業(yè)的角度來評定一下其精度等級,。例如吉時(shí)利2000數(shù)字多用表直流電壓參數(shù)量程為100mV,，最大允許誤差為:±(a×10－6×讀數(shù)+b×10－6×量程)。其中a,，b為年穩(wěn)定系數(shù),，在JJF1094－2002《測量儀器特性評定》中說明計(jì)算相對誤差使用年穩(wěn)定系數(shù)來計(jì)算，因此,，a=50,，b=35，最大允許誤差為:±50×10－6×讀數(shù)+35×10－6×100,。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在1000℃的熱電勢為9587μV,，所以最大允許誤差為:±3.979μV，相對誤差為:3.979/9587×100%=0.04%,。新規(guī)范要求校準(zhǔn)二級被測廉金屬熱電偶需要0.02級及以上,，現(xiàn)在不滿足新規(guī)范6.2.2中技術(shù)要求。選擇市面上常見的兩種數(shù)字多用表對精度等級計(jì)算見表5,。
      從表5中得知七位半和八位半兩種型號儀表都符合0.01級,，說明精度等級高低與儀表的顯示位數(shù)沒有關(guān)系，儀表精度等級高低取決于儀表量程,。選擇儀表一般選擇接近測量范圍的上限的儀表,，即能保證規(guī)定精度等級又能滿足誤差在規(guī)定極限內(nèi)的量值范圍。有些測量儀器在下限,，其相對誤差會急劇增大,，所以測量儀器必須在保證規(guī)定精度等級下使用，還要從實(shí)際測量范圍內(nèi)計(jì)算其相對誤差,，評定其是否符合使用要求。

      綜上所述,，本文對新規(guī)范更新的幾個(gè)方面進(jìn)行探討,，從測得值不確定度評定角度分析了設(shè)備技術(shù)指標(biāo)對測量結(jié)果的影響，對涉及重要設(shè)備技術(shù)指標(biāo)修訂的原因進(jìn)行論述,，能夠更加通俗理解新規(guī)范,，從多年從事計(jì)量技術(shù)專業(yè)的角度提出合理選擇設(shè)備的建議和方法，保證執(zhí)行新規(guī)范進(jìn)行量值傳遞更加正確,，將新規(guī)范內(nèi)容落實(shí)到實(shí)處,，達(dá)到提高熱電偶校準(zhǔn)水平的目的。