300℃以上熱電偶量傳體系問題分析
發(fā)布時(shí)間：2022-12-06
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摘要:針對目前300℃以上
熱電偶量傳體系存在不確定度過大、計(jì)量能力不滿足要求等問題，分析了高溫共晶點(diǎn)和實(shí)用型固定點(diǎn)溫度復(fù)現(xiàn)、純金屬熱電偶溫度測量和1500℃以上
高溫?zé)犭娕?/strong>校準(zhǔn)等技術(shù)的進(jìn)展，提出基于固定點(diǎn)溫度復(fù)現(xiàn)方法的新的量值傳遞體系設(shè)想，可大大減小熱電偶量值傳遞的不確定度，使各級計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度分布更為合理，能保證熱電偶量值的逐級量傳，滿足科研生產(chǎn)對熱電偶的溯源要求。
0引言
熱電偶作為常用的溫度測量器具，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本廉、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)，在科學(xué)研究及工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛使用。隨著科學(xué)技術(shù)和加工制造水平的不斷提高，對熱電偶溫度測量的精度要求越來越高，1500℃以上的高溫測量與校準(zhǔn)需求也日益增加，但現(xiàn)有熱電偶溫度量傳體系卻不能適應(yīng)這一要求。考慮到近年來高溫共晶點(diǎn)和實(shí)用型固定點(diǎn)溫度復(fù)現(xiàn)技術(shù)、純金屬標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測溫技術(shù)的發(fā)展，以及減少量值傳遞環(huán)節(jié)、縮短溯源鏈的計(jì)量發(fā)展趨勢，建立基于實(shí)用型固定點(diǎn)的溫度量傳體系，滿足熱電偶溫度量值傳遞的需求，是目前迫切需要考慮的問題。
1熱電偶量值傳遞體系目前存在的問題
目前國防科技工業(yè)一級計(jì)量機(jī)構(gòu)建立了標(biāo)準(zhǔn)組鉑銠10-鉑熱電偶標(biāo)準(zhǔn)裝置和一等
鉑銠30-鉑銠6熱電偶標(biāo)準(zhǔn)裝置，分別溯源至中國計(jì)量科學(xué)研究院固定點(diǎn)熱電偶標(biāo)準(zhǔn)裝置和標(biāo)準(zhǔn)組鉑銠30-鉑銠6熱電偶標(biāo)準(zhǔn)裝置，在300~1100C及1100~1500℃溫度范圍內(nèi)對二、三級計(jì)量機(jī)構(gòu)開展量值傳遞工作[12]。與實(shí)際需求相比，目前的熱電偶量傳體系存在量傳不確定度過大、各等級熱電偶量傳水平相差不大和高溫溯源不完善等問題。熱電偶量值傳遞關(guān)系示意圖如圖1、圖2所示。
1.1熱電偶量t值傳遞的不確定度過大
從圖1可以看到，二等標(biāo)準(zhǔn)組
鉑銠10-鉑熱電偶的不確定度是0.6~1.0℃，不能滿足精度較高的貴金屬熱電偶的檢定要求。因此按照現(xiàn)行檢定規(guī)程要求，檢定I級、II級
貴金屬工業(yè)熱電偶和I級
廉金屬熱電偶;時(shí)，需要的標(biāo)準(zhǔn)器為一等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶，隨著科研生產(chǎn)中對精密溫度測量需求的增加，越來越多的三級企事業(yè)計(jì)量機(jī)構(gòu)配備了一等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶。而二級機(jī)構(gòu)建立的一等鉑銠10-鉑熱電偶標(biāo)準(zhǔn)裝置無法對其量傳，因此三級機(jī)構(gòu)只能直接到--級機(jī)構(gòu)進(jìn)行溯源，導(dǎo)致送檢周期和成本大幅增加，不能滿足計(jì)量檢定經(jīng)濟(jì)合理、就地就近的原則。
在1100~1500℃溫度范圍，--級機(jī)構(gòu)建立的是一等
鉑銠30-鉑銠6熱電偶標(biāo)準(zhǔn)裝置，其不確定度為2.5℃，可以開展二等標(biāo)準(zhǔn)和II級工業(yè)鉑銠30-鉑銠6熱電偶的檢定;二級或三級計(jì)量機(jī)構(gòu)建立有二等鉑銠30-鉑銠6熱電偶標(biāo)準(zhǔn)裝置，其不確定度為3.2℃，可以開展I級工業(yè)鉑銠30-鉑銠6熱電偶的檢定。該溫區(qū)與1100℃以下溫度相比，其量傳的不確定度要大很多,難以滿足要求。對熱處理加工設(shè)備進(jìn)行質(zhì)量控制。按照AMS2750E的要求，對熱處理爐系統(tǒng)精度測試(SAT)用的S型、
R型熱電偶的最大允許誤差應(yīng)小于±1.0℃或±0.25%t，而且校準(zhǔn)的溫度必須覆蓋實(shí)際使用的溫度范圍。S型、R型熱電偶實(shí)際長期使用溫度都在1300℃，短期使用溫度為1600℃，在1100~1500℃范圍內(nèi)難以滿足量值傳遞的要求。
1.2各等級熱電偶標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度水平相差不大
從圖1和圖2可以看出，對鉑銠10-鉑熱電偶，標(biāo)準(zhǔn)組、一等和二等標(biāo)準(zhǔn)的不確定度分別為0.3~0.4C、0.4~0.6℃、0.6~1.0℃，對鉑銠30-鉑銠6熱電偶、標(biāo)準(zhǔn)組、一等和二等標(biāo)準(zhǔn)的不確定度分別為2.1,2.5,3.2℃，不確定度水平相差不大。各級標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作原理及方法、硬件配置、經(jīng)濟(jì)成本都相差不大，因此從量傳角度來講，設(shè)置如此多的等級無太大必要。
實(shí)際上，對標(biāo)準(zhǔn)組、一等和二等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電勢要求并無本質(zhì)的差別，只是對其年穩(wěn)定性要求不同。檢定熱電偶時(shí)其不確定度主要來源于標(biāo)準(zhǔn)器具，但由于各等級熱電偶不確定度水平相差不大，因此按照目前檢定規(guī)程衡量標(biāo)準(zhǔn)熱電偶年穩(wěn)定性的方法還存在缺陷。以檢定-等鉑銠10-鉑熱電偶為例，要求其年穩(wěn)定性不大于5μV,但由于檢定一等鉑銠10-鉑熱電偶時(shí)不確定度U為0.4~0.6C(即約為4~6μV)，如果兩次檢定結(jié)果無相關(guān)性，則年穩(wěn)定性不確定度應(yīng)為2U(即6~8μV)，顯然以兩年結(jié)果差去評價(jià)5μV的年穩(wěn)定性是不合理的，除非兩次檢定結(jié)果有強(qiáng)相關(guān)性，這使得在實(shí)際工作中存在誤判的風(fēng)險(xiǎn)。
1.3在1500℃以上熱電偶的溯源不能滿足要求
隨著高溫溫度測量的需求不斷增加，除標(biāo)準(zhǔn)分度的貴金屬熱電偶如S,R和
B型熱電偶外，--些非標(biāo)準(zhǔn)分度熱電偶應(yīng)用也越來越廣泛，如PtRh40-PtRh20(1850℃)、銥銠系熱電偶(2100℃)，以及
鎢錸系熱電偶(2300℃)等。關(guān)于這些高溫?zé)犭娕嫉男?zhǔn)，雖然之前有過相關(guān)的研究，但截至到目前還沒有正式的技術(shù)規(guī)范，需要進(jìn)一一步開展研究。
2解決熱電偶量傳體系問題的技術(shù)支撐
2.1高溫共晶點(diǎn)和實(shí)用型共晶點(diǎn)溫度復(fù)現(xiàn)技術(shù)
根據(jù)ITS-1990國際溫標(biāo)規(guī)定，銀點(diǎn)以上溫度由銀(961.78℃)、金(1064.18℃)或銅(1084.62℃)任意一個(gè)固定點(diǎn)基于普朗克定律外推獲得，這種外推導(dǎo)致不確定度隨溫度升高成二次方關(guān)系迅速增大。由于基于金屬和碳共晶(包晶)相變的高溫固定點(diǎn)具有與純金屬固定點(diǎn)類似的相變特性，因此可以作為定義高溫區(qū)的新固定點(diǎn)'。目前中國計(jì)量科學(xué)院及國外多個(gè)國家計(jì)量院都深人開展了高溫共晶點(diǎn)溫度復(fù)現(xiàn)技術(shù)的研究[4]，計(jì)量測試所也開展了Fe-C,Co-C和Pt-C共晶點(diǎn)溫度復(fù)現(xiàn)技術(shù)研究，并用于高溫?zé)犭娕嫉挠?jì)量工作。
另外，減少量傳環(huán)節(jié)、縮短溯源鏈?zhǔn)怯?jì)量技術(shù)一個(gè)總體發(fā)展趨勢，除用作復(fù)現(xiàn)溫度基準(zhǔn)的固定點(diǎn)溫度裝置外，各種用于次級標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)用型固定點(diǎn)也得到了快速發(fā)展”。實(shí)用型固定點(diǎn)溫度復(fù)現(xiàn)裝置除了具有不確定度較小、復(fù)現(xiàn)性好等傳統(tǒng)固定點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)外,還具有成本低、效率高和使用方便、工作可靠的優(yōu)點(diǎn)，可作為次級溫度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置或工作用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)使用。
2.2純金屬標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測溫技術(shù)
由于鉑銠10-鉑熱電偶偏離熱力學(xué)溫度比較大，因此在ITS-1990中鉑銠10-鉑熱電偶不再是溫標(biāo)復(fù)現(xiàn)的內(nèi)插儀器。這是因?yàn)椴捎煤辖鸩牧现谱鞯臒犭娕迹诓牧系娜蹮捓七^程中，很難保證其各部分成分一致,在測量中會影響到熱電偶的輸出電勢。而且在使用過程中由于合金材料的選擇性揮發(fā)，會導(dǎo)致成分發(fā)生偏析,從而影響到熱電偶的長期穩(wěn)定性。
由兩種不同的純金屬材料制作的熱電偶則不存在上述問題，其中Au-Pt熱電偶、Pr-Pd熱電偶表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。研究表明，Au-Pt熱電偶在銀點(diǎn)累計(jì)使用1000h的條件下，其年穩(wěn)定性不超過+16mK。Pt-Pd熱電偶在1100℃上進(jìn)行連續(xù)450h退火后，在銀凝固點(diǎn)上的熱電勢漂移為土10mK/100h!8]。Au-Pt熱電偶、Pt-Pd熱電偶的使用溫度上限分別為1000℃和1500℃,其重復(fù)性和穩(wěn)定性均優(yōu)于鉑銠合金熱電偶，可取代鉑銠合金熱電偶作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)使用。
2.3高溫?zé)犭娕夹?zhǔn)技術(shù)
在1500℃以上的熱電偶校準(zhǔn)中，由于沒有合適的熱電偶作為標(biāo)準(zhǔn)器，只能采用高溫黑體熱電偶校準(zhǔn)裝置，并以光電高溫計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行校準(zhǔn)，如美國ASTM的E452-02(2007)《StandardTestMethodforCalibrationofRefractoryMetalThermocouplesUsingaRadiationTher-mometer》給出的難熔金屬熱電偶的校準(zhǔn)方法。
國內(nèi)在上世紀(jì)七、八十年代對高溫?zé)犭娕夹?zhǔn)有過研究，但由于歷史原因并未解決該溫區(qū)熱電偶的校準(zhǔn)問題。目前已建立了立式高溫黑體熱電偶校準(zhǔn)裝置。該裝置主要包括高溫爐體、真空系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、水冷裝置、溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等幾個(gè)部分，在工作時(shí)熱電偶從上端懸置于保護(hù)管內(nèi)，測量端位于爐體中部的均勻溫區(qū)，在保護(hù)管的側(cè)面開有一個(gè)小型黑體腔，通過爐體側(cè)面的石英窗口用標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)測量爐體中心區(qū)的溫度。通過數(shù)據(jù)采集器采集被測熱電偶的電勢值，與標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)顯示的溫度值進(jìn)行比較，得到被校熱電偶的示值誤差。
3解決熱電偶量傳體系問題的應(yīng)對策略
在未來應(yīng)充分利用固定點(diǎn)溫度復(fù)現(xiàn)和純金屬熱電偶溫度測量等相關(guān)技術(shù)的最新成果，在一級計(jì)量機(jī)構(gòu)建立固定點(diǎn)溫度標(biāo)準(zhǔn)裝置，利用純金屬熱電偶作為次級傳遞標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步提高熱電偶量值的傳遞水平，其理想狀態(tài)下的熱電偶量傳體系如圖3所示。在1500℃以上高溫?zé)犭娕剂總鞣矫妫M快編制相應(yīng)計(jì)量技術(shù)規(guī)范，建立高溫?zé)犭娕剂總黧w系。具體描述如下:
1)一級計(jì)量機(jī)構(gòu)建立基于固定點(diǎn)溫度復(fù)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)裝置，包括Zn,Al,Cu等金屬固定點(diǎn)，以及Fe-C,Co-C，Pd-C等金屬-碳共晶點(diǎn)，可以復(fù)現(xiàn)419.527~14929C范圍的固定溫度點(diǎn)，不確定度為0.2C。通過與國家計(jì)量院同類裝置進(jìn)行比對，保證其復(fù)現(xiàn)溫度量值的準(zhǔn)確性和可靠性。
2)二級計(jì)量機(jī)構(gòu)采用Au-Pt,Pt-Pd(或PtRh10-Pt,PtRh30-PtRh6)熱電偶作為標(biāo)準(zhǔn)器具，由一級計(jì)量機(jī)構(gòu)的固定點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)裝置復(fù)現(xiàn)固定點(diǎn)溫度并通過擬合插值的方法得到任意溫度點(diǎn)溫度量值。該等級標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度約為0.4℃，為與當(dāng)前的量傳體系保持--致，可稱為標(biāo)準(zhǔn)組熱電偶標(biāo)準(zhǔn)裝置。
3).三級機(jī)構(gòu)也可采用Au-Pt,Pt-Pd(或PtRh10-Pt,PtRh30-PtRh6)熱電偶作為標(biāo)準(zhǔn)器具，由二級機(jī)構(gòu)通過比較法進(jìn)行量傳，裝置不確定度約為0.6℃，稱為一等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶標(biāo)準(zhǔn)裝置，可以開展各級貴金屬、廉金屬熱電偶的計(jì)量工作。
4)對于1500℃以上的熱電偶溯源，可以采用立式高溫?zé)犭娕夹?zhǔn)裝置，用標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器對熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)。按照當(dāng)前的量傳體系，光電高溫計(jì)可溯源至工作基準(zhǔn)溫度燈，以后隨著高溫共晶點(diǎn)黑體標(biāo)準(zhǔn)裝置的建立，也可直接溯源至高溫共晶點(diǎn)黑體標(biāo)準(zhǔn)裝置。可以開展1500~23009℃范圍內(nèi)的各種標(biāo)準(zhǔn)、非標(biāo)準(zhǔn)分度高溫?zé)犭娕加?jì)量工作，其相對不確定度約為0.2%~0.5%。
按照上述思路建立的熱電偶量傳體系，可在300~1500℃溫區(qū)范圍內(nèi)使--級、二級和三級機(jī)構(gòu)的熱電偶量傳不確定度分別減小為0.2,0.4℃和0.6℃，滿足逐級量傳的要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了1500℃以上的熱電偶溯源，能夠很好地解決目前熱電偶量傳體系存在的問題。
4結(jié)束語
采用固定點(diǎn)溫度復(fù)現(xiàn)裝置和純金屬標(biāo)準(zhǔn)熱電偶為主的傳遞標(biāo)準(zhǔn)熱電偶組成的量值傳遞體系，使國防科技工業(yè)一級、二級和三級計(jì)量機(jī)構(gòu)量傳的不確定度分別減小為0.2，0.4,0.6℃，可以大大減小熱電偶量值傳遞的不確定度，使300~1500℃溫度范圍內(nèi)各級計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度分布更為合理，能保證熱電偶量值的逐級量傳;在1500C采用標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)通過高溫黑體熱電偶校準(zhǔn)裝置對高溫?zé)犭娕歼M(jìn)行量傳，其相對不確定度約為0.2%~0.5%。以上關(guān)于熱電偶量傳體系的思考，吸納了當(dāng)前熱電偶計(jì)量技術(shù)，可以.解決300℃以上熱電偶量傳的現(xiàn)有問題，滿足其新形勢下的熱電偶的溯源需求。
