高溫黑體爐的鎢錸熱電偶校準方法

摘要:基于中國計量科學(xué)研究院的高溫黑體爐設計了一種適用于鎢錸偶等高溫熱電偶的校準方法。優(yōu)化設計的均溫塊測溫孔軸向均勻性20mm范圍內小于0.5℃,優(yōu)選的測溫孔與中心孔的輻射溫度差異可達到小于0.5℃。經(jīng)鉑銠10-鉑熱電偶驗證了基于高溫黑體爐的校準方法,在800~1300℃與S型熱電偶標準熱電勢間差異小于0.5℃,不確定度評估為0.8~1.5℃,k=2。在800~1900℃范圍內,測試了多只不同來(lái)源的C型鎢錸偶熱電勢并考核了偶絲校準前后的均勻性,實(shí)驗結果表明，鎢錸偶絲與國際標準鎢錸偶熱電勢的差異基本保持在1%以?xún)?校準不確定度為3.7~13.0℃,相對不確定度為0.7%t(t為溫度),k=2。
1引言
　　熱電偶主要應用于工業(yè)生產(chǎn)中溫度的控制及監測,溫度控制準確與否,直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，隨著(zhù)鉑銠熱電偶的價(jià)格飛速增長(cháng),人們將視野轉移到了具有價(jià)格低、熔點(diǎn)高、靈敏度高、熱電勢高等優(yōu)點(diǎn)的鎢錸熱電偶l[1-3]。鎢錸熱電偶在測溫領(lǐng)域是較好的高溫材料，其應用的領(lǐng)域也逐漸擴大,提升鎢錸熱電偶的測溫精度,對我國工業(yè)的發(fā)展有著(zhù)積極的促進(jìn)意義。
早在20世紀70年代美國材料與試驗學(xué)會(huì )(ASTM)對鎢錸熱電偶進(jìn)行了統一分度和標準化。我國21世紀90年代制定了標準和分度值,完成了對鎢錸偶絲的標準化。
　　提出了一種基于高溫黑體爐的鎢錸熱電偶.校準方法,優(yōu)化設計適用熱電偶校準的均溫石墨塊,并評價(jià)均溫塊的均勻性;熱電偶測溫阱與黑體空腔在同一水平方向,不需要窗口保護,利用鉑銠10-鉑熱電偶的校準,評價(jià)方法的可靠性,最終實(shí)現了鎢錸高溫偶在800~2000℃的熱電勢校準和不確定度評價(jià)。
2工作原理及校準方法
2.1熱電偶測溫原理
　　熱電偶的工作原理是2種不同成分的導體或半.導體組成閉合的回路,如果兩端存在溫度梯度,則會(huì )產(chǎn)生熱電動(dòng)勢,稱(chēng)為塞貝克效應[9.10]。如圖1所示，當A和B兩種不同半導體或導體材料連接成回路，一端為T(mén),稱(chēng)為工作端或熱端,另一端為T(mén)0,稱(chēng)為參考端或冷端。當T和T0兩端存在溫度差異時(shí),回路就會(huì )產(chǎn)生電動(dòng)勢，這個(gè)電動(dòng)勢就是熱電偶的輸出電勢EAB.EAB公式為:
 
　　式中:△UA、為導體A產(chǎn)生的電壓;△UB為導體B產(chǎn)生的電壓;SAB為熱電偶的熱電動(dòng)勢率;NA和NB為自由電子數;k為玻爾茲曼常數,k≈1.38x10^-23J/K;e為元電荷;T為熱端溫度;T0為冷端溫度。
　　熱電偶的輸出電勢與兩端的溫度變化有關(guān)，即不同的電勢對應著(zhù)不同溫差[1]當T0恒定且已知時(shí)，只要測出EAB就可以得到被測目標的溫度.
 
2.2鎢錸偶校準方法
　　用高溫黑體爐作為熱源,標準光電高溫計作為標準器,用光電瞄準爐體內部均溫塊的中心孔,測量均溫塊的中心孔溫度作為標準溫度。將鎢錸偶的工作端插人均溫塊的周?chē)】?，鎢錸偶的冷端置于冰點(diǎn)瓶,采集熱電偶的輸出電勢和光電高溫計的標準溫度,獲得二者的對應關(guān)系。鎢錸偶經(jīng)過(guò)孔間差修正可以獲得整百K的熱電勢,并與ASTM標準的參考熱電勢進(jìn)行比較,鎢錸偶的校準示意圖見(jiàn)圖2。
 
3樣品制備及溫場(chǎng)測試
3.1鎢錸偶的制備
　　制備熱電偶的主要設備與材料:熱電偶焊接機,其有效焊接范圍0.10~1.00mm,AC輸人電壓90~265V;純度99%的雙孔氧化鋁陶瓷管,管直徑3.2mm,長(cháng)度500mm;鎢錸熱電偶絲(C型),絲直徑0.5mm;氧化鉿;氧化鉿雙孔陶瓷管;鉭管;漆包線(xiàn)等。
　　制作熱電偶是利用碳棒電弧熔接法,碳棒接直流電源正極，將兩種熱電偶絲用連接負極的鑷子夾在一起,然后用鑷子去觸碰碳棒使熱電偶熔接在一起。在焊接過(guò)程中通高純氬氣防止熱電偶偶絲氧化,鎢錸偶焊接后的成品見(jiàn)圖3。
 
3.2均溫塊設計
　　溫場(chǎng)是校準結果的不確定度重要來(lái)源之一,而管式爐的溫場(chǎng)好壞與均溫塊有著(zhù)直接的聯(lián)系[]為了得到校準結果的不確定度,均溫塊的均勻性必須考慮在內。2種均溫塊樣式(中字型和工字型,以下分別簡(jiǎn)稱(chēng)a型和b型),通過(guò)實(shí)驗數據對比得到溫場(chǎng)較好的均溫塊。圖4為中字型均溫塊圖和工字型均溫塊圖。
3.3均溫塊均勻性測試
　　在實(shí)驗前首先對帶有均溫塊的高溫爐進(jìn)行溫度控制參數重新整定,得到一組與溫度范圍相關(guān)的PID參數,保持良好的控溫穩定性。均溫塊的軸向均勻性測試,是將均溫塊放置于加熱管的中心位置,均溫塊孔底部放有陶瓷片,防止熱電偶熱端直接觸碰到石墨;然后,把S型熱電偶(簡(jiǎn)稱(chēng)S偶)插人均溫塊測溫阱底部,間隔10mm往外移動(dòng)S偶,測得均溫塊測溫阱在20mm深度的軸向均勻性。
 
　　表1為2種均溫塊下孔的軸向均勻性測試數據,用同1個(gè)熱電偶,在800~1200℃內,每隔200℃的溫度點(diǎn)上進(jìn)行軸向均勻性測試(S偶熱電勢單位為mV)。由表中數據可以發(fā)現:2種均溫塊均勻性略有差異,在各個(gè)溫度點(diǎn)b型均溫塊均勻性略?xún)?yōu)于a型均溫塊,但均在1℃以?xún)取?br />  
　　均溫塊的徑向均勻性測試,使用標準光電高溫計瞄準均溫塊各測溫孔,上下左右移動(dòng)測試各孔的溫度差。表2為2種均溫塊的測溫阱溫差測試數據。
 
　　表2中的測試分別在800,1200,1700,2000℃溫度點(diǎn)上進(jìn)行。由表中數據可以發(fā)現:2種均溫塊的均勻性具有相似的規律,在左、右、上、下4個(gè)位置的溫度差異規律類(lèi)似;孔間差左孔大于右孔,右孔大于上孔;a型和b型的下孔與中心孔間溫差最小;b.型均溫塊的孔間差也略?xún)?yōu)于a型均溫塊。
　　通過(guò)分析均溫塊軸向、徑向均勻性數據，總體來(lái)說(shuō)b型與a型均溫塊的均勻性接近同一水平,b型均溫塊略?xún)?yōu)于a型均溫塊,選擇b型均溫塊實(shí)驗。
3.4校準方法的驗證
　　為了驗證基于高溫黑體爐的鎢錸偶校準方法,首先對鉑銠10-鉑S型熱電偶進(jìn)行了校準分度。標準光電高溫計測量了高溫黑體爐在1星期的溫度變化,對其復現性進(jìn)行評價(jià),高溫黑體爐的溫度復現性基本在0.5~1℃以?xún)?如圖5所示。
 
　　利用熱電偶均勻性測試裝置,測試了s偶的均勻性。如圖6所示,S偶在校準前后的均勻性在0.05%~0.06%之內,校準前后S偶的均勻性幾乎沒(méi)有變化,對熱電勢校準的實(shí)驗影響可以忽略。
　　利用基于高溫黑體爐的熱電偶校準方法對s偶校準分度，修正孔間差異后,圖7為校準結果誤差,在800~1300℃范圍內誤差小于0.5℃,不確定度評估為0.8~1.5℃,k=2。經(jīng)s偶的校準分度實(shí)驗驗證了基于高溫黑體爐的高溫偶校準方法可行性。
4結果分析
4.1校準結果分析
　　為了防止鎢錸熱電偶氧化,在校準時(shí)黑體爐通有99.999%高純氬氣;在均溫塊測溫孔底放有氧化鉿陶瓷,防止鎢錸熱電偶工作端觸碰石墨壁,污染熱電偶。實(shí)驗選擇了不同來(lái)源的C型鎢錸偶絲進(jìn)行初步校準測試,修正孔間差異后的測試結果,某公司不同批次生產(chǎn)的偶絲,熱電勢測試結果差異較大。A批次生產(chǎn)的偶絲,在800~1600℃的溫度誤差變化穩定,誤差接近10℃左右。B批次生產(chǎn)的偶絲校準溫度誤差約在±5℃以?xún)?，如圖8(a)。另一廠(chǎng)家同批次生產(chǎn)的不同偶絲,校準溫度差也能控制在1%之內,如圖8(b)。
 
　　圖8(b)中的2號鎢錸偶800~2000℃的熱電勢校準結果見(jiàn)表3所示,在800~1800℃范圍內相對誤差基本在0.5%內,當升溫到2000℃時(shí)熱電勢突然降低,與標準熱電勢的誤差近70℃。降溫后發(fā)現誤差突變可能是后端氧化鋁絕緣雙孔陶瓷管被熔化導致的結果,而插人均熱塊內的氧化鉿并沒(méi)有熔化的現象?；蛘呤擎u錸偶在無(wú)密封情況下直接吹氬氣保護下,可能2000℃時(shí)與少部分空氣發(fā)生氧化行為,后續實(shí)驗增加氧化鉿雙孔陶瓷管的長(cháng)度,增加了80mm,使氧化鋁陶瓷管遠離高溫區,降低后端氧化鋁陶瓷管的溫度。
 
　　選擇與1號同一批鎢錸偶絲制成鎢錸熱電偶，增加氧化鉿長(cháng)度的鎢錸熱電偶密封在鉭管中,鉭管后端留有出氣口和進(jìn)氣口,解決了陶瓷高溫熔化問(wèn)題及高溫下鎢錸熱電偶與空氣接觸發(fā)生氧化的問(wèn)題。
 
　　實(shí)驗前將密封鎢錸熱電偶的鉭管抽真空,抽真空后通氬氣進(jìn)行保護，再對鎢錸熱電偶進(jìn)行校準。鎢錸熱電偶校準依次按最高溫度點(diǎn)1600,1700,1800,1900,2000℃進(jìn)行6次重復性校準,前4次最高溫度不超過(guò)1900℃,校準重復性和誤差均能保持在1%內,誤差隨溫度的變化趨勢與1號鎢錸熱電偶誤差變化趨勢--致。鎢錸偶在經(jīng)過(guò)2000℃高溫后,本身性能發(fā)生巨大變化,800~1400℃誤差趨勢與未達到2000℃時(shí)的誤差趨勢基本一致,1400~2000℃時(shí),誤差發(fā)生變化,第一次到2000℃時(shí),是先增大再減小，第二次是突然減小又增大,說(shuō)明鎢錸偶經(jīng)2000℃高溫過(guò)程后,穩定性能變差,校準結果如圖9。
 
4.2不均勻性分析
　　由于熱電偶在制造和使用過(guò)程中偶絲成份產(chǎn)生變化而導致偶絲不均勻的現象,會(huì )導致沿軸向上的賽貝克系數產(chǎn)生變化。熱電偶的不均勻性是其測溫誤差的重要來(lái)源之一。在校準熱電偶時(shí)必須考慮被校準熱電偶自身的不均勻性影響。測試鎢錸偶均勻性的方法是兩介質(zhì)法,兩種介質(zhì)分別是硅油和空氣。通過(guò)在恒溫油浴中不同的浸人深度,獲取熱電偶的熱電勢沿軸向的變化規律。
　　在油槽設定不同的溫度(180,200℃)時(shí),對同一只新鎢錸偶進(jìn)行均勻性測試,待油槽溫度穩定鎢錸偶換熱平衡后開(kāi)始采集熱電勢,熱電偶沿軸向移動(dòng),逐漸增加浸人油槽的深度,熱電勢先上升然后逐漸平緩。測量結果顯示在180℃和200℃,熱電偶均勻性變化趨勢基本相同，油槽溫度對均勻性的測試結果影響較小,可根據需求選擇180,200℃或其他更高溫度,測量熱電偶的不均勻性,見(jiàn)圖10。
 
　　鎢錸熱電偶在800~2000℃校準后的不均勻性變化如圖11所示。鎢錸偶經(jīng)過(guò)第1次1600℃。高溫后產(chǎn)生較大變化,軸向均勻性差異達到0.5%.*后續經(jīng)過(guò)1700℃到2000℃校準后,鎢錸偶不均勻性差異變化較小，均在0.5%之內。由圖也可以看出鎢錸偶前端100mm正處于高溫爐高溫區,高溫下成份擴散等原因導致均勻性變差。
 
5不確定度評定
　　鎢錸偶的校準不確定度來(lái)源包括標準光電高溫度計,黑體爐及均熱塊的溫場(chǎng)性能,熱電偶參考端、電測儀表等,此外還包含熱電偶自身的穩定性、均勻性等。不確定度評估見(jiàn)表4,鎢錸偶不確定度為3.7~29.2℃;鎢錸偶在2000℃不確定度突然變大的主要原因來(lái)自熱電偶自身耐用性變差。
 
6結論
(1)設計了一套基于高溫黑體爐的鎢錸偶等高溫熱電偶校準裝置,高溫爐短期穩定性?xún)?yōu)于0.1℃,長(cháng)期復現性?xún)?yōu)于1℃。在800~1300℃對S偶的進(jìn)行了校準,熱電勢誤差小于0.5℃,不確定度評估為0.8~1.5℃,k=2,實(shí)驗結果說(shuō)明該裝置對高溫熱電偶的校準分度具有可行性。
(2)優(yōu)化設計了適用高溫黑體爐的熱電偶用均溫塊,其中均溫塊軸向均勻性20mm范圍內優(yōu)于0.5℃,溫度阱與中心孔溫度差異最優(yōu)可小于0.5℃。對不同來(lái)源的鎢錸熱電偶進(jìn)行了熱電勢校準,校對溫度最高到1900℃時(shí)的測試結果表明,重復性和校準誤差均在1%以?xún)?不確定度約為3.7~13.09℃,k=2
(3)對鎢錸偶校準溫度最高到2000℃時(shí)測試結果顯示耐用性明顯變差,且兩次實(shí)驗后鎢錸偶絲斷裂。