铠装热电偶两种校准方法的比较

朱欣贇 郑 伟 龚宝妹 张雪峰 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

热电偶按结构类型分类，可分为装配式热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶及各种专用热电偶。装配式热电偶通常由热电极、绝缘材料、保护管和接线盒等部分组成。铠装热电偶由热电极、绝缘材料和金属套管组合在一起，并经拉伸而成的组合式热电偶。与装配式热电偶相比，铠装热电偶热惯性小，响应速度快；体积小，热容量小；可挠性好；机械性能、耐介质化学腐蚀性能好。

在JJF 1262-2010《铠装热电偶校准规范》[1]公布实施之前，并没有专门针对铠装热电偶的特殊性能实施的规程或规范。因此，一般都参照JJG 351-1996《工作用廉金属热电偶检定规程》[2]进行校准，即将铠装热电偶与传统装配式热电偶一样，捆扎成束放入检定炉中校准。因为外壳是金属材料的铠装热电偶，在被捆扎成束放入炉内后，从测量端区沿着电缆导热较大，而且，炉内还存在热对流与热辐射等，导致温场变化，使热电偶束受热不均匀，最终导致测量结果分散性较大。根据JJF 1262-2010校准300 ℃以上铠装廉金属热电偶时，在管式炉中配置带插孔的均温块，提供恒定的均匀温场；在卧式检定炉内放置均温块后，炉中心为金属，没有空气对流，传热方式以导热为主，温度波动小，故温场比较稳定[3-4]。

为了验证两种方法在300 ℃以上对铠装廉金属热电偶测量结果的影响，进行比较试验。

1 试验内容

1.1 使用设备

1）标准器：一等标准铂铑10-铂热电偶。

2）电测设备：数字多用表 KIETHLY 2010，最大允许误差±（0.003 7%读数+0.000 9%量程）。

3）恒温设备：热电偶检定炉PWKJ-100M。

放置均温块前，轴向均匀温度场140 mm任意两点间温差≤1℃；径向温度场任意两点间温差≤0.2 ℃。

放置均温块后，孔底起算，轴向30 mm内温差0.3 ℃；孔底部同一截面任意孔间温差绝对值0.12 ℃。

4）扫描开关：WJ-3H，寄生电势≤0.2 μV

5）被检：8支铠装K型热电偶（带补偿导线）

1.2 试验方法

1.2.1 JJG 351-1996测量方法（管式炉未放置插孔均温块）

将一等标准铂铑10-铂热电偶套上高铝保护管，与被检铠装K型廉金属热电偶用细镍铬丝捆扎成圆形一束，被检热电偶测量端围绕标准热电偶测量端均匀分布一周，并确保处于垂直标准热电偶同一截面上。然后将捆扎成束的热电偶插入检定炉中间位置，深度约300 mm。标准热电偶的参考端与铜导线连接后放入冰瓶，铜导线另一端连接转换开关。被检铠装热电偶的补偿导线与铜导线连接后放入冰瓶，铜导线另一端同样连接转换开关。然后开启自动测试软件，当温度符合要求时进行测量。每支热电偶进行4次读数，取4次读数的平均值。每次独立实验完成后，检定炉冷却至室温，取出所有热电偶重新捆扎后再进行实验。实验测试2个温度点，分别为400 ℃与1 000 ℃，结果如表1、表2所示。

1.2.2 JJF 1262-2010（管式炉放置插孔均温块）

与1.2.1方法在同一实验室环境条件下，采用了同一套实验装置。区别在于热电偶检定炉中放置了插孔均温块，均温块的几何中心放置于检定炉的均匀温度场中心。然后将标准热电偶同样套上高铝保护管，与被检铠装热电偶分别插入均温块至孔底，并确保不会弹出。其他测量方法同1.2.1。实验测试两个温度点，分别为400 ℃与1 000 ℃，结果如表3、表4所示。

1.3 两种方法的比较

由图1、图2可见，未放置插孔均温块的实验标准差最大值为1.3 ℃，最小为0.1 ℃；放置插孔均温块的实验标准差最大值为0.4 ℃，最小为0.1 ℃。后者的标准差多数较前者小，且较为稳定。评估两种方法的测量不确定度，400 ℃时U = 1.5℃（k = 2)，1 000 ℃时U = 1.2 ℃（k = 2)；放置插孔均温块400 ℃与1 000 ℃时U = 0.6 ℃（k = 2)，较未放置插孔均温块小了近1倍，并小于允差绝对值的1/3。

表1 JJG 351-1996方法400 ℃实验 单位：℃

表2 JJG 351-1996方法1 000 ℃实验 单位：℃

表3 JJF 1262-2010方法1 000 ℃实验 单位：℃

表4 JJF 1262-2010方法1 000 ℃实验 单位：℃

图1 400 ℃两种试验方法标准差比较

图2 1 000 ℃两种试验方法标准差比较

2 结语

通过比较实验，插孔均温块对铠装廉金属热电偶的测量结果有大幅度的改善，复现性更佳，不确定度更小。可见，依据JJF 1262-2010对铠装廉金属热电偶进行校准，在管式炉中配置带插孔的均温块，能够提供恒定的均匀温场，温度波动小，温场比较稳定。实验结果更为准确、可靠。

[1]全国温度计量技术委员会. JJF 1262-2010[S]. 北京：中国计量出版社，2010.

[2]辽宁省技术监督局. JJG 351-1996 [S]. 北京：中国计量出版社，1996.

[3]王浩，侯素兰，徐宏光，等. 管式热电偶检定炉均匀温场的研究[J]. 中国计量，2010，10：79-81.

[4]侯素兰，苗丽，乔新红. 铠装廉金属热电偶校准方法的研究[J].中国计量，2012，01：93-94.