接線端恒溫器的研制與應用

王 喆，沈文杰，王曉丹，李強光

（天津市計量監督檢測科學研究院，天津300192）

短型廉金屬熱電偶（以下簡稱短型偶）是一類電極長度較短的可拆卸式廉金屬熱電偶（電極長度為300 mm～500 mm）[1]和廉金屬鎧裝偶（金屬套管長度為300 mm～500 mm）[2]的統稱。 傳統的測量設備和測量方法在高溫溫區（300 ℃以上）往往無法準確測量其示值偏差。 通過研究短型偶的測溫原理，設計實驗找到其測不準的原因，根據原因設計和制造接線端恒溫器，并應用于管式爐校準短型偶時，其可將熱電偶電極（或鎧裝偶金屬套管）在管式爐外露出部分以及熱電偶參考端和補償導線接線處保持恒定溫度。 通過實驗驗證其可以減小熱傳導損失熱量對測量準確度的影響，減小校準短型偶示值偏差的擴展不確定度[3]。

傳統的校準方法只適用于校準電極長度不小于500 mm 的可拆卸式廉金屬熱電偶（和金屬套管長度不小于500 mm 的鎧裝熱電偶）。 國內外還沒有對于500 mm 以下的熱電偶校準的相關標準，這種尺寸較短的熱電偶往往大量應用于建筑、石化、軍工和航空航天領域，其示值偏差的準確程度還無法保障。

現行的熱電偶相關檢定規程中只有工作用貴金屬熱電偶涉及到了短型尺寸（JJG668-1997 工作用鉑銠10-鉑（鉑銠13-鉑）短型熱電偶[4]），但是其測量方法和相關標準器和配套設備的技術指標并不適用于短型廉金屬熱電偶和鎧裝熱電偶的測量。 全國各法定計量檢定機構和相關計量技術機構對于短型廉金屬熱電偶使用的標準器和配套設備也沒有統一要求[5～7]。 國外對短型廉金屬熱電偶的研究較少，目前最短的尺寸為也大于500 mm，工作中只進行首次檢定，使用過程中發現示值偏差漂移就做報廢處理[8～10]。

1 測不準原因分析

1.1 理論分析

在實際工作中， 熱電偶絲的材質是可靠的，制造過程也符合相關標準[11]。制成普通尺寸（大于等于500 mm）廉金屬熱電偶，示值偏差符合其準確度。 但在制成短尺寸（小于500 mm）廉金屬熱電偶后，經過校準其示值偏差往往出現超差現象，示值偏差多為負偏差。 這一問題一直沒有得到很好的解決，很多設備使用短型偶無法保證其準確度，其量值無法溯源到國家基準[12]。

將同樣材質的廉金屬熱電偶，尺寸從1000 mm截短到300 mm，每個尺寸使用傳統的校準方法校準其示值誤偏差。 示值偏差的變差情況如表1所示。

表1 截短實驗結果Tab.1 Truncated experimental results

我國規定廉金屬熱電偶工作用1 級的最大允許誤差為±1.5 或±0.6%t；工作用2 級的最大允許誤差為±2.5 或±0.75%t[13]。 從表中可以看出最大的變差為-1.33 ℃，這一量級已經嚴重影響對被校熱電偶準確度等級的判定。

產生這樣結果的原因是多方面的，其中最重要的還是和熱電偶規格尺寸相關。 在排除掉人為操作的問題和設備測量重復性這2 個原因以后，熱電偶的制造材料可靠還產生較大示值偏差的原因，應該發生在測量端和參考端兩個部分。 測量端產生的誤差可能和管式爐溫場均勻性有關，參考端產生的誤差可能和補償導線、轉換開關、參考端和數字多用表有關。 長度為300 mm 左右的熱電偶，插入爐中心后，露出在爐外的部分只有不到150 mm。 由于熱電偶本身的金屬材質也是高效導熱體，這樣會造成誤差產生原因的變化，熱電偶測量端的溫度難以和測量標準以及爐溫保持平衡，熱量通過熱電偶不斷傳導到室溫環境下，然而標準熱電偶還是規范中要求的正常尺寸，導熱效率也沒有被校偶高，所以造成了被校偶的測量端實際溫度低于標準熱電偶的測量端。

1.2 測量端溫差實驗

這樣的熱量流失問題就是源于被校熱電偶的尺寸較短， 這一點在鎧裝熱電偶上表現的更為明顯，其結果就是校準后材料可靠的熱電偶的示值偏差往往由于負偏差不符合國家標準的要求。 所以通過以下實驗驗證以上推測是否正確，從而找到短型偶測不準的原因。

如圖1、圖2 所示，將貴金屬熱電偶的測量端焊接在廉金屬熱電偶的測量端上，通過測量準確度更高的工作用貴金屬熱電偶，測量廉金屬熱電偶在校準過程中測量端的實際溫度。 通過比較廉金屬熱電偶測量端的顯示值和實際值找到短型廉金屬熱電偶在校準過程中示值偏差較大的原因。

圖1 測量端溫差實驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of temperature difference experiment for sensitive part of thermocouple

圖2 測量端焊接實物圖Fig.2 Pictures of welding object for thermocouple temperature sensitive part

實驗結果經過整理如圖3 所示。

圖3 溫差實驗數據比較Fig.3 Experimental results of temperature difference of thermocouple sensitive part

由圖3 可知，短型偶校準時，顯示溫度與測量端實際溫度的差值隨著管式爐尺寸的減小而增大（熱電偶檢定爐溫場均勻性受其尺寸影響， 尺寸較長的均勻性較好，用于校準熱電偶所得結果與真值越接近），隨著被校偶的長度尺寸的減小而增大。 其變差往往是負值，驗證了對短型偶測不準原因的推測是正確的。

由于材質不同，電極直徑粗細不同被校熱電偶的導熱速率往往比標準熱電偶快。 這樣就會造成被校熱電偶的測量端和標準熱電偶的測量端產生一定的溫差。 標準熱電偶在爐內需要使用保護管，這樣就無法通過測量端的完全接觸解決這一問題；由于相關檢定規程對標準熱電偶的尺寸有要求，也不能將標準熱電偶的尺寸截短到與被校偶相同；更無法通過較長的穩定溫度時間來彌補兩者的溫差；短型熱電偶檢定爐或管式爐溫場均勻性在技術上提高的空間不大。 所以在熱源設備沒有重大革新的情況下，在熱電偶接線端附近引入恒溫設備，盡可能地平衡熱電偶在檢定爐內外較大溫差引起的熱量流失問題。

2 設計方案

2.1 接線端溫度實驗

熱電偶接線端附近一般由熱電偶偶絲、補償導線和信號線組成，將接線端溫度保持恒定的設備稱之為“接線端恒溫器”。 在加入接線端恒溫器之前需要確定恒溫的溫度。 通過以下實驗找到恒溫器在實際應用中控制在多少溫度更為合理。

使用數字溫度計和表面溫度計，測量短型熱電偶爐外部分溫度、接線端部分溫度和爐溫溫度之間的關系。 從而為接線端恒溫器的設計和使用短型熱電偶檢定爐校準短型廉金屬熱電偶的研究提供依據。

將1 支短型偶插入短型熱電偶檢定爐內，如圖4 所示。 熱電偶的測量端位于爐內均勻溫場最高溫度處，爐口用防火棉封堵。 將熱電偶檢定爐升溫，從下限溫度到上限溫度測量（300 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃、1000 ℃、1200 ℃）[14-15]。

圖4 接線端溫度實驗示意圖Fig.4 Experimental schematic diagram of terminal temperature

通過測量各個位置絕緣磁珠的表面溫度以及偶絲溫度，得到爐溫與短型偶熱電極（爐外部分）溫度的關系，經過整理如圖5 所示。

圖5 接線端溫度實驗結果Fig.5 Experimental results of terminal temperature

2.2 接線端恒溫器結構

接線端恒溫器由加熱組件，熱循環組件，保溫材料和溫控器組成，加熱介質為空氣，通過空氣對流的方式完成熱電偶接線端部分的熱交換和保溫控溫。 其單側有開口，另一側封閉，結構如圖6 所示。 加熱組件由8 個電阻加熱片構成，可以快速進行升降溫，耐熱風扇負責對流循環。 保溫簾和保溫罩可以保證恒溫器工作區域內具有200 mm 長的軸向均勻溫場，溫場內任意點溫度偏差不超過±1 ℃。

控溫儀采用博特BT10S 型雙通道溫度指示控制儀，控溫儀表準確度0.5 級，分辨力0.01 ℃，具有熱電阻、熱電偶分度表，可以記錄10 組PID 調節[16]。保溫材料應保證恒溫溫度范圍為（40～120）℃，插入深度不短于300 mm，全長約在600 mm。

2.3 接線端恒溫器的恒溫性能

使用多通道溫度巡檢儀測量恒溫器的恒溫性能。 溫度巡檢儀的測量準確度為0.01 級，具有9 個Pt100 型溫度傳感器，將其依次編號為“0#～8#”，捆扎在石英管上，間隔5 mm 呈均勻分布。 將捆扎后的石英管放置在接線端恒溫器內， 用支架固定好，保證溫度傳感器位于恒溫器的軸向幾何中心。 其測量方法如圖7 所示。

準備工作完成后將接線端恒溫器升溫至50 ℃，恒溫20 min，開始讀取巡檢儀示值。采集間隔15 s，采集時間5 min。 其測量結果經過數據處理如表2 所示。

圖7 接線端恒溫器溫場測試示意圖Fig.7 Terminal thermostat temperature field test diagram

表2 恒溫器實驗結果Tab.2 Terminal thermostat experimental results

由上表可知，從傳感器3#～8# 范圍內，軸向溫場任意兩點間溫差絕對值不超過1 ℃。 所以該恒溫器具有200 mm，±1 ℃的均勻溫場。 均勻溫場內5 min 波動度不超過0.2 ℃，滿足設計要求。

3 實驗結果和驗證

3.1 接線端溫度實驗

在校準短型偶中加入接線端恒溫器，通過熱電偶截短實驗驗證有效性， 同樣材質的廉金屬熱電偶， 尺寸從1000 mm 逐步截取到300 mm 的示值偏差的變差情況。

測量標準采用1 等標準鉑銠10-鉑熱電偶，被校熱電偶采用穩定性較好的N 型[17]，準確度等級優于工作用1 級[18]，并且示值偏差經過校準后的熱電偶。在廠家制成1000 mm 后， 使用傳統的校準方法，參照JJF1637-2017《廉金屬熱電偶校準規范》，校準出各溫度點的示值偏差，以這一值作為實驗數據比較的參考值。

從1000 mm 依次截短到300 mm， 使用短型檢定爐校準其各個溫度點的示值偏差作為與參考值的比較值，比較值減去參考值即為某支熱電偶在該溫度下示值偏差的變差。 數據經過處理和修正，比較使用恒溫器和不使用恒溫器2 種情況下變差的變化情況，起變化小于等于廉金屬熱電偶2 級允差的模的1/3[19]，即可證明接線端恒溫器的有效性，并且找到恒溫器從（40～100）℃內，整10 ℃的最優控溫溫度點。

圖8 接線端影響實驗接線圖Fig.8 Experimental wiring diagram of terminal thermostat

3.2 數據處理和結果分析

實驗數據經過計算如表3 所示。

經過整理如圖9 所示。

由以上實驗可知，接線端恒溫器在校準短型偶的過程中有很好的正面影響。 在接線端恒溫器恒定在（40～60）℃左右，短型廉金屬熱電偶（可拆卸式）的示值偏差與原尺寸傳統方法檢定的示值偏差更為接近。 所以可以得出接線端恒溫器在校準短型廉金屬熱電偶是可以一定程度減小不確定度，也驗證了采用接線端恒溫器的新的校準方法校準短型偶更為準確。

圖9 接線端影響實驗結果Fig.9 Experimental results of terminal thermostat

4 結語

由以上可知，短型偶在300 ℃以上，使用熱電偶檢定爐校準，測不準的原因是由于其尺寸過短，偶絲作為導熱體對爐溫溫場的平衡有較大的影響，將爐內熱量不斷的傳導到爐外，造成其測量端和標準熱電偶的測量端無法達到熱平衡狀態，從而造成其示值偏差出現了較大的負偏差。 在短型熱電偶檢定爐爐溫溫場均勻性在現有技術手段下無法提高的情況下，短型偶爐外部分使用接線端恒溫器，控溫在（40～60）℃左右可以減少熱電偶測量端熱量的流失，測量結果與真值[20]更為接近，校準結果的擴展不確定度更小。