淺談廉金屬熱電偶校準

摘要:JJF1637－2017《廉金屬熱電偶校準規(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)范更新的幾個方面進行探討和對涉及重要設(shè)備技術(shù)指標修訂的原因進行論述，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，達到落實好新規(guī)范,，最終提高熱電偶校準水平的目的,。
0引言
      隨著科技的進步，計量的發(fā)展,，在2018年3月實施了JJF1637－2017《廉金屬熱電偶校準規(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方面:①增加標準鉑電阻溫度計做低溫熱電偶測量標準的計算公式;②更換了原規(guī)程中的計算實例;③更改了整百攝氏度熱電動勢和溫度對照表計算方法;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前退火工作;⑦廉金屬熱電偶的校準范圍和長度發(fā)生了變化;⑧恒溫設(shè)備技術(shù)要求發(fā)生了變化;⑨增加了補償導線技術(shù)要求和補償導線的校準方法;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,、不實用等地方進行修訂,，以滿足當前對廉金屬熱電偶校準的各種技術(shù)要求;⑥經(jīng)過多次試驗，在校準階段進行退火,，示值變化很小,，因此刪除了新制造熱電偶校準前退火工作;⑦在校準中熱電偶的測量結(jié)果受到其長度影響，對被校準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熱不夠均勻，在多年的熱電偶校準工作中發(fā)現(xiàn)檢定爐溫場很難達到規(guī)程規(guī)定技術(shù)要求,，特別是有負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)導熱中,，決定物體內(nèi)溫度分布的是導熱系數(shù)(或稱導熱率)，金屬的導熱率好,，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溫場時放置位置為準,。工作時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，首先考慮是導熱性,，各種金屬的導熱系統(tǒng)是不同的,，導熱系數(shù)愈大的金屬，其導熱性愈好,。這樣的金屬在加熱時,，溫度升高比較迅速和均勻。熱量能很快傳到整個金屬上,，容易溫度平衡,，整體溫度均勻，形成一個穩(wěn)定的空間;其次校準熱電偶時溫度加熱到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,，體積會膨脹,，在制作成品時考慮膨脹因素，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℃時溫場分布就變差了,，原因是GH3030的導熱率可適用范圍是900℃,，超過900℃合金內(nèi)部組織就發(fā)生變化，自由電子的運動規(guī)律遭到破壞,，在宏觀上導熱性能發(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)指標符合新規(guī)范要求,。
2增加了補償導線技術(shù)要求和補償導線的校準方法
      新規(guī)范7．3．2條要求標準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℃，則需要用標準溫度計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行換算,，得到補償熱電動勢，對熱電偶進行補償,。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,，特別是校準較短、較粗的熱電偶,，受熱電極熱傳導的影響,，參考端的溫度要高于鄰近的環(huán)境溫度。這樣使用標準溫度計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，且用同一個參考端熱電動勢補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，看出補償導線引入的分量是11.25μV,，影響比重是最大的,。新規(guī)范6.2.2條要求補償導線滿足室溫到70℃范圍內(nèi)允許偏差±0.2℃,，K分度補償導線在30℃時，誤差±8.45μV,，按均勻分布考慮,，半寬為8.45μV，則標準不確定度為:8.45/槡3=4.88μV,。從技術(shù)指標上嚴格要求,，提高校準水平。［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線,，稱為熱電偶的補償導線,。需要嚴格篩選符合要求的補償導線才能使用。自然就需要對補償導線進行計量校準,，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，要求焊點的尺寸應(yīng)盡量小些,，通常為兩倍熱電偶絲直徑,。補償導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，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，0.01級電測儀表才可以開展所有等級廉金屬熱電偶校準,，不確定度分量是0.29μV,。新規(guī)范對電測儀表技術(shù)指標要求有所提高，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)這個指標選擇電測儀表。［3－6
      在《軍事計量基礎(chǔ)》給出了正確的解釋,，精度等級是符合一定的計量要求，使誤差保持在規(guī)定極限以內(nèi)的儀表的等別,、級別,。它是一個定量的指標，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數(shù)表示的基本誤差,，所以可以通過相對誤差來計算求得。電測儀表大多數(shù)是指數(shù)字多用表,，它的技術(shù)指標都用最大允許誤差來表示,，現(xiàn)在從計量專業(yè)的角度來評定一下其精度等級。例如吉時利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》中說明計算相對誤差使用年穩(wěn)定系數(shù)來計算,，因此，a=50,，b=35,，最大允許誤差為:±50×10－6×讀數(shù)+35×10－6×100。標準熱電偶在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,，還要從實際測量范圍內(nèi)計算其相對誤差，評定其是否符合使用要求,。

      綜上所述,，本文對新規(guī)范更新的幾個方面進行探討,，從測得值不確定度評定角度分析了設(shè)備技術(shù)指標對測量結(jié)果的影響，對涉及重要設(shè)備技術(shù)指標修訂的原因進行論述,，能夠更加通俗理解新規(guī)范,，從多年從事計量技術(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)范進行量值傳遞更加正確,，將新規(guī)范內(nèi)容落實到實處,，達到提高熱電偶校準水平的目的。