铠装热电偶校准用精密热电偶校验炉

王震森 乔 辉 曹福宾

(上海工业自动化仪表研究院，上海 200233)

0 引言

铠装热电偶早已大量应用于工业领域，但它们的校准却一直沿用装配式热电偶的校准方法和设备。相应的检定规程对校验炉的温度场的要求是:最高均匀温场中心与炉轴向几何中心偏离不超过10 mm，空载时，1℃的均匀温区不小于 60 mm［1］。

2008～2009年，在制订铠装热电偶的校准规范过程中，辽宁计量院经过相关试验与研究，确认了目前通用的单段加热管形炉是校准中最大的不确定度来源，其性能无法满足校准的要求［2］。规范对校准用恒温设备作出了明确要求:设备需配置均温块;热电偶插入均温块的深度与孔径之比大于10∶1;从孔底算起，轴向30 mm内温差不大于0.5 K;孔底部同一截面任意孔间的温度差绝对值不大于 0.25 K［3］。

为满足铠装热电偶校准规范的要求，减少热电偶校准的不确定度，研发了具有较宽均匀温区、插孔温度一致性理想以及温度稳定性好的精密热电偶校验炉。

1 原有校验炉存在的问题

原有校验炉的炉体一般采用卧式管状加热炉结构。校验炉常采用单段加热丝加热，加热丝绕制成不等距方式，以便在中心区域获得较宽的等温工作区。这种校验炉的主要问题是等温区太短，因而校准时被检热电偶向外导热及校验炉自身对外的传热会影响实际的温度场，从而影响热电偶检验的结果［4］。这种影响表现为两个方面，即校验炉与各被检热电偶间的热交换状况不一致且不同时间的热平衡点存在差异。

1.1 温度场的影响

校验炉工作区温度场的变化会影响到校验炉与被检热电偶间的热交换状况以及热平衡点的结果。首先温度场的变化会导致标准和被校热电偶测量端的温度不一致，且温度会随位置变化。装配式热电偶校准时，将热电偶的保护管卸下，然后只需将热电极及绝缘管(即热电极组件)与标准热电偶置于校验炉中加以比较。在比较过程中，被校热电偶的测量端与标准热电偶的测量端可以很接近，它们之间的温差通常会较小，不会带来较大的不确定度。不过在校准偶丝较粗(直径2.5 mm或3 mm)的热电偶时，仍会带来较大的不确定度。在校准铠装热电偶，尤其是校准直径较大(直径5 mm或6 mm)的热电偶时，由于热电偶的测量端接点在铠装金属保护管内，其相对于铠装热电偶测量端面的位置是不确定的，与标准热电偶的测量端可能会有较大距离，存在一定温差。校准时，几支被校铠装热电偶扎成一捆，会引起较强的轴向导热，使温场相比空载时大大恶化，等温区变得更小，温度场对校准结果的影响量更大。

此外，卧式炉的工作区内存在径向的对流，造成同一截面上不同位置的被校热电偶温度有差异。只有使用均温块，才能减小校准时存在的径向温差。

1.2 不同时间热平衡点的差异

当等温区太小时，被检热电偶及校验炉自身对外的传热会使实际的温场很容易随时间变化，并影响到热电偶检验的结果。即使在同一个温度点，先后两次的测试数值也会产生差异，因为校验炉在不同时间的热平衡点是不一样的。因此，在热电偶检验过程中，热电偶的后一次(热平衡时间长)试验数据往往比前一次(热平衡时间短)的试验值高。

上述情况会造成铠装热电偶校准时产生较大的不确定度。经验表明，如果对铠装热电偶进行重新捆扎装炉校准，校准数据一般相差1 K左右。这也是热电偶生产厂商、用户以及计量部门的测试数据经常不能吻合的主要原因。只有在具有足够大等温区域的校验炉中，且被检热电偶及校验炉自身对外的导热不再影响到热电偶检验的结果时，被校与标准热电偶间的位置变化及校验炉不等温分布区域的热平衡点变化才不会影响到试验值。

2 精密热电偶校验炉的设计

2.1 精密热电偶校验炉设计思想

针对原有校验炉存在的问题，精密热电偶校验炉从以下三个方面作了相应改进。

①为扩大等温工作区域，减小被校热电偶及校验炉炉体本身对外的传热影响，精密热电偶校验炉的炉体部分采用内外二级炉体结构与控温系统［5－6］。当外级的工作温度接近内级的工作温度时，内级对外的传热可降到最低，因此校验炉可获得较宽的均温工作区。

②为了减小热电偶校验炉在校准中试验数据离散性，精密热电偶校验炉采用插孔方式安置热电偶，以提高各支被校热电偶与校验炉之间的热交换结果的一致性。

③为了进一步减小被校热电偶对外导热的影响，在校验炉炉口部位设置补偿加热器。

2.2 热电偶校验炉温度控制

热电偶校验炉的温度控制原理框图如图1所示。

图1 校验炉的温度控制原理框图Fig.1 Temperature control principle of the calibration furnace

校验炉由控温热电偶配用数字温度控制仪指示并控制工作温度。工作区均温块及炉管的温度分别由控温热电偶1和控温热电偶2检测，再由数字温控仪控制输出1和输出2;然后分别通过可控硅1和可控硅2控制均温块及炉管两加热器的加热功率，以控制均温块及炉管的工作温度。炉管的温度接近并略低于均温块的工作温度，从而减小均温块对外的热传导，使校验炉在轴向和径向均有一个较大的均温工作区。为减小校验炉炉口对外传热的影响，在校验炉炉口位置设置了辅助加热器。控温热电偶3首先检测校验炉炉口位置的工作温度，然后由数字温控仪控制输出3，并通过可控硅3控制校验炉炉口位置的温度，从而进一步提高校验炉工作区域的温度均匀性。

3 性能试验结果

采用一等标准铂铑10-铂热电偶，配用Agilent34420A数字多用表，对精密热电偶校验炉工作温度稳定性、插孔间温度一致性以及插孔内轴向温度均匀性等几项性能进行了考核，其试验结果分别分析如下。

3.1 工作温度稳定性

采用一等标准铂铑10-铂热电偶测定精密热电偶校验炉的工作温度，30 min内记录Agilent34420A数字多用表上热电偶的热电势值，并将热电势值的变化量折合成温度变化值，计算得到的热电偶校验炉的工作温度稳定。试验结果表明，校验炉30 min内最大的工作温度变化为±0.10 K。

3.2 插孔内轴向温度均匀性

采用2支一等标准铂铑10-铂热电偶以及Agilent34420A数字多用表，测定精密热电偶校验炉插孔的均温区域。其中一支标准铂铑10-铂热电偶插入插孔底部位置，以测定校验炉的温度变化;另一支标准铂铑10-铂热电偶测定插孔底部起不同位置的温度值，扣除校验炉的温度变化量，获得校验炉插孔的温度分布。精密热电偶校验炉各个温度点的插孔温度均匀性如表1所示。

表1 插孔温度均匀性Tab.1 Temperature equilibrium along thermometer well

试验结果表明，校验炉插孔自底部起100 mm范围内的温度差异不大于0.5 K。

3.3 插孔间温度一致性

采用2支一等标准铂铑10-铂热电偶以及Agilent34420A数字多用表测定精密热电偶校验炉插孔的温度。其中一支标准铂铑10-铂热电偶测定校验炉的温度变化;另一支标准铂铑10-铂热电偶测定不同插孔的温度值，扣除校验炉的温度变化量，获得校验炉各个插孔间的温度差异。试验结果表明，校验炉插孔温度一致性优于0.20 K。

4 铠装热电偶校准不确定度

4.1 铠装热电偶校准试验结果

采用5支一等标准S热电偶校准￠5铠装热电偶(K1、K2、K3、K4、K5)，每次铠装热电偶均安置在校验炉不同的插孔位置。当工作温度为400℃和800℃时，6次试验结果如表2和表3所示，试验标准差如表4所示。

表2 工作温度为400℃的试验结果Tab.2 Calibration results at 400 ℃

表3 工作温度为800℃的试验结果Tab.3 Calibration results at 800 ℃

表4 试验标准差Tab.4 Experimental standard deviation

标准差S的计算公式如下:

辽宁计量院在进行相关研究后发现，单段加热卧式管形炉(不带均温块)用于校准5支铠装热电偶时，6次分度标准差的平均值在400℃和800℃时，分别为0.25 K和0.33 K，不能满足铠装热电偶校准时要求。表4的数值表明6次分度标准差的平均值分别为0.05 K和0.08 K，数据的离散性明显缩小。

4.2 不确定度校准

采用一等标准S热电偶在400℃与800℃工作温度时校准铠装热电偶。在校准过程中，标准不确定度的来源主要有被校铠装热电偶多次测量的不重复性、标准S热电偶不确定度、电测设备的测量误差、校验炉的性能(工作温度稳定性、插孔温度一致性与插孔轴向温度均匀性)、转换开关的寄生电势以及热电偶参考端温度不等于0℃等。

经计算，以一等标准S热电偶在400℃与800℃校准铠装热电偶时的不确定度为:

校准铠装热电偶时的扩展不确定度即为［7］:

5 结束语

与以往的热电偶校验炉相比，精密热电偶校验炉在工作温度稳定性、插孔温度一致性及插孔温度均匀性等方面的技术性能都有明显的提高。技术性能完全符合铠装热电偶校准规范对热电偶校验炉提出的相关要求。

与以往热电偶校验炉的结构相比较，插孔结构的安装方式大大提高了校验炉与各支热电偶之间的传热一致性，并降低了校准热电偶时的数据离散性。精密热电偶校验炉用于校准铠装热电偶时的扩展不确定度为0.34 K，完全可应用于Ⅰ级工业热电偶(允差最小值为 1.5 K)的校准［8－10］。

［1］国家技术监督局.JJG 351-1996工作用廉金属热电偶检定规程［S］.北京:中国计量出版社，1997.

［2］王浩.管形热电偶检定炉均匀温场的研究［J］.中国计量，2010(10):17－19.

［3］国家质量监督检验检疫总局.JJF 12622-2010铠装热电偶校准规范［S］.北京:中国计量出版社，2010.

［4］王魁汉.温度测量实用技术［M］.北京:机械工业出版社，2006:201－212.

［5］王震森，马洪其.80～500℃温度计精密校验装置［J］.自动化仪表，1994，15(8):18 －21.

［6］Ma Hongqi，Wang Zhensen.A precision 400 ～1084 ℃ thermometer calibration facility using heat-pipe technology［C］∥International Symposium of Temperature Measurement in Industry and Science，Beijing:1986.

［7］国家技术监督局.JJF 1059-1999测量不确定度评定与表示［S］.北京:中国计量出版社，1999.

［8］国家技术监督局.GB/T 16839.2-1997热电偶第二部分允差［S］.北京:中国标准出版社，1998.

［9］国家机械工业局.JB/T 9238-1999工业热电偶技术条件［S］.北京:机械工业仪器仪表综合技术经济研究所，1999.

［10］国家质量监督检验检疫总局.GB/T 18404-2001铠装热电偶电缆及铠装热电偶［S］.北京:中国标准出版社，2002.