鎧裝廉金屬熱電偶校準(zhǔn)方法的研究

　　長(zhǎng)期以來(lái),校準(zhǔn)400C-800℃范圍鎧裝廉金屬熱電偶(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“鎧裝偶")使用的恒溫設(shè)備多采用普通管式爐,但在滿(mǎn)載情況下校準(zhǔn)時(shí),多次測(cè)量得到的重復(fù)性達(dá)到0.79C-1.209℃,實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差0.30C~0.42℃,測(cè)量不確定度1.5C~1.6℃。其中，在400℃點(diǎn)測(cè)量不確定度為1.5℃,對(duì)于判定鎧裝偶的等級(jí)顯然不夠。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)和研究,提出了改進(jìn)方法。下面僅舉400℃試驗(yàn)結(jié)果為例。
一、管式爐在校準(zhǔn)中存在的問(wèn)題
　　大部分熱電偶的校準(zhǔn)采用比較法。它的基本要求是,標(biāo)準(zhǔn)和被校準(zhǔn)對(duì)象處于同一個(gè)等溫的環(huán)境中。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測(cè)量得到的溫度就代表被校準(zhǔn)對(duì)象所處的溫度。
　　以往校準(zhǔn)鎧裝偶使用的管式爐，溫場(chǎng)均勻性指標(biāo)為60mm,溫差不大于1℃。合格的管式爐往往都是在空載條件下測(cè)得的,實(shí)際應(yīng)用到鎧裝偶校準(zhǔn)時(shí),差別很大。我們對(duì)管式爐在400℃和800℃滿(mǎn)載情況下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明,爐子插入熱電偶束一側(cè)，從測(cè)量端起30mm軸向溫場(chǎng)內(nèi),最大溫差分別為2.16℃和2.26℃,滿(mǎn)載時(shí)的溫差大大超出了空載。
二、原因分析
　　分析原因主要是管式爐內(nèi)存在熱對(duì)流、熱輻射等引起溫場(chǎng)的變化、使熱電偶東受熱不均勻，造成溫場(chǎng)變差。被校鎧裝偶測(cè)量溫區(qū)所處的均勻溫區(qū)很短,得到的校準(zhǔn)結(jié)果使測(cè)量不確定度變大,測(cè)量重復(fù)性下降，
三、實(shí)驗(yàn)
　　下面是使用原方法和改進(jìn)方法的實(shí)驗(yàn)。
1.原方法
　　試驗(yàn)設(shè)備:二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶、數(shù)字電壓表、管式爐、補(bǔ)償導(dǎo)線、冰點(diǎn)恒溫器、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等。
　　試驗(yàn)方法:將E型鎧裝偶(直徑6mm)沿陶瓷保護(hù)管(插標(biāo)準(zhǔn)偶)均勻分布,捆扎成一束,插入管式爐深度約300mm。鎧裝偶熱電極信號(hào)輸出端接補(bǔ)償導(dǎo)線，另一端與鋼導(dǎo)線連接后，置入裝有酒精的玻璃試管內(nèi),再均勻地插入冰點(diǎn)恒溫器;標(biāo)準(zhǔn)熱電偶參考端與鋼導(dǎo)線的一端連接后，也插入冰點(diǎn)恒溫器。鋼導(dǎo)線的另一端通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)與電測(cè)設(shè)備連接。當(dāng)達(dá)到校準(zhǔn)點(diǎn)400C恒溫50min后,開(kāi)始測(cè)量。每組測(cè)量后，冷卻至室溫,取出重新捆扎再插入管式爐,恒溫后進(jìn)行測(cè)量。共進(jìn)行6組獨(dú)立的重復(fù)測(cè)量。每支鎧裝偶的測(cè)量值是校準(zhǔn)過(guò)程中記錄4次讀數(shù)，其熱電動(dòng)勢(shì)算術(shù)平均值換算成的溫度值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差如表1所示。
 
　　從表1數(shù)據(jù)可以看到,對(duì)同一支鎧裝偶的測(cè)量,其最大差值為0.79℃。
　　　本文針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)帶來(lái)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差大的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了配管式爐用均溫塊，以改善爐子溫場(chǎng)的均勻性,提高爐溫的穩(wěn)定性,并進(jìn)行了校準(zhǔn)鎧裝偶方法的研究。
2.改進(jìn)方法
　　將均溫塊(長(zhǎng)80mm)的幾何中心放在爐子均勻溫場(chǎng)的中心，將標(biāo)準(zhǔn)偶套上高鋁保護(hù)管和被校鎧裝偶分別插至6孔均溫塊各孔底部，爐口處用絕緣耐火材料封堵,被校鎧裝偶熱電極信號(hào)輸出端與補(bǔ)償導(dǎo)線連接點(diǎn)離爐口處至少175mm。其他接線方式與原方法相同。
　　然后,對(duì)被校鎧裝偶進(jìn)行6組獨(dú)立的重復(fù)測(cè)量,每組測(cè)量后,冷卻至室溫重新裝爐,恒溫后再進(jìn)行測(cè)量。每支鎧裝偶的測(cè)量值是校準(zhǔn)過(guò)程中記錄4次讀數(shù),其熱電動(dòng)勢(shì)算術(shù)平均值換算成的溫度值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差見(jiàn)表2。
 
　　通過(guò)使用改進(jìn)方法,得到的多次測(cè)量重復(fù)性和實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差,與原方法(表1)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較多數(shù)小近1/3。評(píng)估校準(zhǔn)點(diǎn)400℃的測(cè)量不確定度為0.78℃(k=2)，比原方法減小了約2倍，并小于允差絕對(duì)值的1/3。
3.進(jìn)一步驗(yàn)證
　　本文在熱管恒溫槽中對(duì)被校鎧裝偶也進(jìn)行了重復(fù)測(cè)量,得到的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差與表2相吻合,進(jìn)一步驗(yàn)證了鎧裝偶校準(zhǔn)方法的可靠性,，幾種實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差情況的。比較如圖1所示。
 
四、結(jié)束語(yǔ)
1.現(xiàn)有用于檢定廉金屬熱電偶的檢定爐,用于校準(zhǔn)鎧裝偶時(shí)，測(cè)量不確定度分量中應(yīng)充分考慮溫場(chǎng)不均勻性帶來(lái)的影響。
2.使用現(xiàn)有管式爐加均熱塊的方法,對(duì)提高校準(zhǔn)鎧裝偶整套裝置的最佳能力,起.著至關(guān)重要的作用。
3.能減少多次測(cè)量的重復(fù)性和實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差。
　　2009年11月，全國(guó)溫度計(jì)量技術(shù)委員會(huì)審定通過(guò)了《鎧裝熱電偶》校準(zhǔn)規(guī)范,更好地規(guī)范了鎧裝偶的校準(zhǔn)方法。本研究力求推動(dòng)我國(guó)校準(zhǔn)部門(mén)對(duì)校準(zhǔn)鎧裝偶裝置現(xiàn)狀的改進(jìn)。確保量值溯源統(tǒng)一、正確、可靠,保證鎧裝偶的校準(zhǔn)質(zhì)量,推動(dòng)我國(guó)鎧裝偶的生產(chǎn)和校準(zhǔn)行業(yè)的發(fā)展。