工作用廉金屬熱電偶檢定淺談

[摘要]本文討論的是工作用廉金屬熱電偶在300℃~1300℃之間檢定的一些應注意的地方，通過對長期檢測工作的總結思考，發現了某些平時不注意而引入了誤差的地方，找出措施盡量消除或減小這些誤差，使檢定測試的數據正確可靠。
　　熱電偶作為溫度傳感器,其測量溫度范圍寬,是直接測量不受煙霧水汽等影響，只要檢測位置選擇合理，測量出來的溫度數值正確可靠,加熱設備易于實現溫度調節。在國際通用的標準化熱電偶中,廉金屬熱電偶價格便宜,深受工礦企業喜愛,因而使用最為普遍。
　　熱電偶是一種計量器具,為確保熱加工產品的質量,使用前必須進行檢定,到周期后也必須進行復檢。只有合格的滿足工藝要求的才可安裝使用。因而熱電偶的檢測工作是大量的，經常的。
1檢測設備的發展概況
第一階段:在檢定規程JJG351-84實施前以前。大多數企業檢定熱電偶使用的檢定爐長度較短，直徑較小，均勻溫場短，性能沒有經過測試，在無所知的情況下使用。檢定爐的升溫，保溫是檢測人員用手調節調壓變壓器輸出電壓大小來實現的，熱電偶的熱電勢用直流電位差計測量，操作繁瑣。在檢測過程中，爐膛溫度受電源電壓波動、室內溫度變化、環境條件等影響而不穩定，檢測人員手忙腳亂測出來的數據，正確程度可想而知。
第二階段:在檢定規程JJG351-84至JJG351-96實施之間。首先檢定爐先后達到了當時規程對長度、直徑、加熱爐膛尺寸的要求，均勻溫場的長度不小于20mm;其次先后采用了溫度自動控制裝置，到檢測點后在溫度較穩定的情況下檢測。在這期間數字電壓表已部分取代了直流電位差計。這樣大為提高了檢測結果的正確性。
第三階段:檢定規程JJG351-96實施后至今，規程對檢定爐的均勻溫場，檢測時偏離檢定點的溫度、檢測過程中溫度的變化等比上一規程提出了更高的要求。檢定爐生產廠家經過研制、開發。先后生產出了各項技術指標全面合格、性能穩定的產品。溫度控制，數據檢測已實現了智能化。凡購買了熱電偶智能檢測系統的單位，在檢測熱電偶時，滿足規程的要求是不成問題的。
2影響熱電偶熱電勢值的因素
　　檢測工作所使用的計量器具(主標準器及配套設備).應經上級計量部門檢定測試合格,并在有效周期內。其檢定裝置的不確定度,在主標準器或主要配套設備未變化前，基本不變。
　　對于熱電偶,新偶在制作時，測量端的焊接電極壓直以及裝配過程中要產生應力,影響熱電偶性能，應退火去除應力,因此,檢定測試前應在最高檢定點溫度退火2小時，然后隨爐冷卻到400℃左右取出待檢;復檢偶，到后期的舊熱電偶，其偶絲外觀檢查合格的，應清理干凈,用清潔的絕緣瓷珠取代被污染變質的瓷珠,裝好后待檢。
2.1檢定測試時的爐溫波動對被檢偶示值的影響。
　　當組成熱電偶的兩電極確定后,其熱電勢僅與熱端和冷端的溫差有關。眾所周知，檢定爐通電加熱后，熱量首先傳給爐膛內瓷管,然后內瓷管主要由熱輻射的方式傳給被檢的熱電偶束。因標準熱電偶在熱電偶束中心，其溫度的變化滯后于周圍的被檢偶,穩定后的爐溫仍存在著溫度的微小波動(如小于0.2℃/min,四次檢定不大于+0.25C),因此出現了在爐溫上升趨勢和下降趨勢兩種情況下的檢測結果是不--樣的現象。我們用JWT-702溫控設備,電測設備為吉時利2000型數字電壓表，對多批被檢偶，不同測量點作過試驗,對同一被檢點的兩種情況的檢測結果，前后相差數分鐘的時間,可示值相差0.5℃左右,爐溫下降趨勢時，示值要小-一些，上升趨勢時示值要大一些。這對于誤差為正值,并接近允許極限的熱電偶，在爐溫下降趨勢時檢測結果是合格的,但在爐溫上升趨勢時檢測就可能超差，同樣對那些誤差為負值并接近允許誤差的熱電偶，在爐溫上升趨勢時檢測是合格的，反之就會出現超差。
2.2被檢偶的捆扎對示值的影響
　　幾支被檢熱電偶和標準熱電偶捆扎時,如沒有捆緊,捆扎的地方又較少，雖然捆扎時熱端均在一一個平面上,但在經過搬動和裝爐以后，熱端可能不完全在一-個平面上了，出現了有的前一些,有的后-一些,這樣會給檢測結果帶來不應有的誤差。我們在出爐時，常發現這種情況，這就要求在捆扎熱電偶束時,在確保石英管不壞的前提下，盡量扎緊一些,捆扎的地方多一點,讓熱端始終保持在一個平面上。
2.3熱電偶冷端溫度及補償
　　許多單位不用延伸型補償線將被檢熱電偶冷端延伸,而直接用銅導線連接冷端，這就容易出現熱電偶冷端所處的溫度不一致的情況,尤其是長短不一-的熱電偶捆在一束檢定時,更會出現冷端溫度不-樣的情況。如750mm長和1200mm長的熱電偶捆在一束檢定,數米長的鎧裝偶的檢定,它們的冷端所處的溫度會有一-定的差異，對檢定結果必定帶來誤差。要避免這類誤差，用合格的延伸型補償線將熱電偶冷端分別引人冰點恒溫器或溫度穩定的接線盒中。這樣冷端的補償便能輕易解決。熱電偶智能檢測設備就是用延伸型補償線,將熱電偶冷端引入接線盒(或冰點恒溫器),實現冷端自動補償。
2.4熱電偶熱端在檢定爐中的位置對檢測結果的影響
　　被檢熱電偶東在裝爐后,其熱端雖在檢定爐軸向溫場中心,但所處的徑向溫場溫度不同，會給檢測結果帶來較大的誤差，下面以我們所經歷的事例來分析說明:
　　我們對一批(80余支)新購進的電極為中3.2mm,K分度熱電偶進行人廠驗收檢定。檢定過程中發現,同-批熱電偶的誤差卻比較分散,有的合格,有的超差，對超差的熱電偶進行重檢,有的變合格了，其余的仍超差，整批熱電偶的檢定結果，誤差為正值，并較大，不合格的占到了30%多。用另--支剛送檢的標準對比檢，情況也一樣。后來對熱電偶進行使用前的檢定,仍出現有的超差。我們邊檢邊計算，發現有超差的熱電偶時，我們試著將整束被檢偶轉-個方向(90°-180°),多幾爐這樣的轉向,結果出現了兩種情況，一種是不合格的變成合格的了，另一種是原合格但誤差較大的變成不合格了。我們分析產生這種現象的原因，檢定爐通電,加熱爐膛的氧化鋁管(爐膛的溫度主要是氧化鋁管的輻射熱量),加熱升溫時,均勻溫場的溫度低于爐膛壁的溫度,爐溫穩定后仍然如此。φ3.2mm的電極，熱端球型有重φ5mm大小，雙孔絕緣瓷珠為橢圓(10x12)mm,被檢熱電偶沿爐膛下壁進入軸向溫場中,只有部分熱端在均勻溫場里面,靠下面爐壁的1-2支熱電偶不在均勻溫場中,檢定時下面的溫度要高些，因此出現上面所述現象。
　　我們反復思考檢定規程中對均勻溫場的要求，軸向長度不小于60mm,徑向R14mm的范圍內,任意兩點的溫差不大于1℃。在熱電偶檢定時，我們只注意了軸向,而忽略了徑向的要求，因此在后來的檢測中我們試圖改變這種狀況。方法有二。一是熱電偶束進爐后,用硅酸鋁纖維棉均勻封堵爐口,幾次檢測后發現改善效果不大;二是將-一小塊硅酸鋁纖維棉先放人爐膛均勻溫場段,熱電偶束熱端放到纖維棉上，爐口四周封堵,經幾爐檢定,發現有一定效果，但突然又發現，保護標準偶的石英管被嚴重腐蝕了，頭部出現了許多深坑,這種方法不能采用。
我們進一步分析觀察,尋找前面方法改善不大的原因，被檢熱電偶束進爐后其熱端在溫場中的位置有如下幾種情況:
　　檢測工作中,我們多次從檢定爐的另一頭觀察被檢熱電偶束進爐后熱端所處的位置，上面所講三種情況均有，第一種較少，第二、三種為普遍，特別是第三種,造成熱端偏離均勻溫場，使檢測結果誤差增大。
3解決引入誤差的主要方面,提高檢測結果的正確性
　　熱電偶在生產制造時形成了固有誤差，因而有I級熱電偶、I級熱電偶之分，在早還有皿級熱電偶,其允差更大。隨著科技的發展，對產品的質量要求越來越高，在JJG351-84規程中就沒有關于I級熱電偶的檢定內容了。熱電偶的檢定結果應反映其熱電特性的本來面目，檢定過程中應盡量避免引人誤差。下面就我們在檢測工作中的體會談-下應注意的問題。
3.1熱電偶冷端引線連接
　　熱電偶冷端與補償導線(延伸型)的連接。如果熱電偶電極比較短,裝爐后其冷端距爐口較近，爐口溫度較高,向外輻射熱量,加上電極的熱傳導,使熱電偶冷端溫度較高。采用補償線和冷端分別用螺釘壓接的方法，不會引人誤差。在實際操作中,每支均要上下線，顯得很麻煩，對于新熱電偶全部都有接線的螺釘還好一些，對那些經加熱設備使用，到周期拆回周檢的熱電偶，送來檢定時大多沒有了接線螺釘，要找螺釘配上才能接線檢定，非常麻煩,為解決這一問題，便將補償導線一頭焊在鱷魚夾的尾部，用魚夾夾著熱電偶冷端，這樣連接方便快捷省掉許多麻煩。但這種連接方法對于冷端距爐口較遠的(如≥350mm)影響很小可以忽略，對于那些冷端距爐口較近的影響可就大了，本來是誤差很小完全合格的熱電偶，那樣檢定出來各點均超差,完全不能用。如我們用短形爐檢定短型熱電偶時發現,一支隨引進設備配來的K分度號新偶，長度不足300mm,進爐后，其冷端距爐口為100mm左右。冷端用焊有補償線的鱷魚夾夾著弓|到熱電偶冷端補償接線盒。400℃點的檢定誤差為“-5℃",400℃以上各檢定點其冷端溫度就變得更高，誤差也變得更大。根據檢定結果,該熱電偶根本不能使用。我們認為這支熱電偶應該是合格的，不會有這樣大的誤差，應找原因。經檢查發現，熱電偶兩電極冷端燙手,估計溫度超過50℃(室溫為25℃)。魚夾頭部到焊接補償線處的長度有(35~40)mm,存在由高到低的溫度差異,便斷定這誤差是由于冷端溫度未完全補償造成的，于是用同分度號的熱電偶絲,配銅接頭壓接延長(延長部分大約400mm),然后再用原先方法引入接線盒重新檢定。這次的檢定結果各點的誤差均很小，400C點的誤差由原先的“-5.0℃"變成了“0.3℃"。
　　從上面的事例得知，如果正確地使用鱷魚夾和補償線的連接方法，所帶入的誤差是很小的，完全可以忽略的。方法是在將延伸型補償導線焊接到魚夾上的時候，應將補償線伸到魚夾頭部，焊好后補償線應平于(或高于)頭部齒狀高度，當夾熱電偶冷端時，接觸的是補償導線，與用螺釘壓接是完全-樣的。從出現那次現象后，我們已將補償線由魚夾的尾部前移到了頭部，這樣連接熱電偶冷端既方便又快，又不會帶入誤差。后來我們做過實驗，用只能在短型爐檢定的兩支短型偶，放到長為600mm的檢定爐中檢定，其冷端距爐口不足50mm，在使用我們的引線接人接線盒后,檢測結果與理論分析一致。實驗證明，我們的連接方法是確實可行的。
3.2檢定爐溫度控制參數的整定
　　檢定爐溫度控制參數調整得合理,到溫檢定時溫度穩定,波動很小，檢定時間短，引人的誤差也很小，反之爐溫總是波動,檢定用的時間長，引入的誤差增大。采用PLD參數控溫的爐子,各檢定點的P1.D參數不完全一-樣,應進行摸索，調整到最佳，將各點最佳參數記錄在案，供檢定升溫時備用。手動檢測時,做到讀數記錄快而正確,檢測過程中的爐溫變化盡量為零,這時由爐溫變化引入的誤差就不會存在。
　　對于智能型檢測設備,我們體會到其PID等參數自整定的條件很重要。就中航機電研究所的熱電偶熱電阻智能檢測設備而言,不同的設備調試人員在不同條件下進行爐溫自整定。兩種自整定參數在使用中存在不同的問題，使用單位均不十分滿意。條件一:按正常檢定裝人被檢熱電偶束,兩頭封堵,從300℃-1100℃(1200℃)升溫自整定,自動保存參數;條件=二:裝人控溫熱電偶,爐口敞開,從300~1100℃(1200℃)升溫自整定，自動保存參數。我們作了兩種條件下的整定參數,并分別使用,其情況為:第-一種在600℃及以下的檢定點用的時間較短，每個點30分鐘左右，大于600以上的檢定點，檢定用的時間逐漸增長，特別是1000℃、1100℃檢定點,檢定時間要用1小時左右，觀察溫度波動曲線,其一直在上、下波動，幅度達1℃左右，波動在0.1℃/min的時間只有2分鐘左右，檢測軟件根據規程，當爐溫小于0.2℃/min時要保持至少2分鐘才開始檢測，--爐熱電偶一般為5支被檢加-支標準，每支檢測四次,每4秒鐘--個檢測點,從開始到結束近100秒鐘。在這近100秒鐘的時間里,爐溫變化不大于0.2℃時才能檢測下來，否則要繼續保溫。因此在爐溫穩定性不好時要反復檢測多次才有結果。第二種:在600C以下檢測點，檢定時間較長，在400℃點檢測要用1小時左右，300℃點要超過1小時，在600℃及以上的檢測點,到溫后能較快地穩定下來，觀察溫度曲線,到溫穩定后波動很小，自動檢測一次或兩次就成功。根據這兩種情況,我們采用了取長補短的方法，將兩種自整定參數結合在-起，組成一組新參數，在300℃、400℃、500℃檢測點用第一種參數,600℃及以上點用第二種參數。我們現在-_直使用這組新的參數檢定熱電偶,檢測-爐(四個溫度點)均在2小時左右完成，檢測時，爐溫穩定。
3.3確保被檢熱電偶束的熱端在檢定爐的均勻溫場中
　　被檢熱電偶束裝爐后,其熱端既要在檢定爐軸向均勻溫場中心，又要在徑向R14mm均勻溫場中,這就要求熱電偶檢定人員裝爐時必須細致,要認真檢查熱電偶束熱端在爐膛的情況，并應采取適當措施。
　　有些廠家生產的熱電偶檢定爐，其一端配有可前后滑動的，放置熱電偶的“U"形支架。我們對支架進行測量得出，“U"形底部比爐口高15mm左右，若放置控溫熱電偶,將爐口墊平,正好在軸向中心。若放置被檢熱電偶東,熱電偶束與爐子的中心線必然成一夾角,不易調整熱端在均勻溫場中的正確位置。若自己配用其他支架，每次應調整支架的高低、前后及左右的位置,封.堵爐口后,使熱端全在均勻溫場中,否則應進行調整。為裝爐等方便和對熱端的檢查、調整、檢定爐應放置在高為(700~800)mm的工作臺上。
　　目前使用的熱電偶裝爐裝置,我們認為考慮到了被檢熱電偶束與檢定爐的軸向中心線重合,φ14mm的定位導管放置標準熱電偶并支撐被檢熱電偶束。熱電偶進爐后,定位導管有(60~80)mm的長度進人檢定爐中,起著定位、導向作用,如圖1所示。
 
　　熱電偶裝爐裝置存在的不足是:一是當熱電偶長度≤800mm時不易捆扎,捆扎被檢熱電偶時必須要兩人配合;二是不能保持熱電偶熱端--直處于均勻溫場中。我們用這種裝置檢測了幾爐電極均為φ3.2mm熱電偶，首先發現了前兩個問題，后來我們又發現了第三個問題:原保護標準熱電偶的石英管是直的,經幾次檢定后石英管變彎了。經測量石英管頂端偏離中心線7.5mm,從另一端觀察檢測結束后的熱電偶束,其中2支熱電偶的熱端貼到爐膛下壁。這一事實說明,熱電偶束裝爐后進行升溫檢測，在溫度不高的檢測點時,熱電偶熱端處于均勻溫場中，當檢定點溫度≥800℃以上時,在爐膛內,熱電偶束在超出定位導管長度200mm多的部分，在重力作用下變彎,有的熱端偏離出均勻溫場，甚至碰到爐膛下壁。分析原因,是因為在高溫下，熱電極和石英管剛性下降,在重力作用下逐漸下垂,捆扎在中心的石英管也逐漸變形而彎曲。
　　我們使用的熱電偶智能檢測設備,配有熱電偶裝爐裝置的檢定爐放置于高750mm的木質工作臺上。“定位導管"因捆扎熱電偶不方便,也無其他作用，所以不.久就已拆除。在調整好支架高度并與檢定爐軸向平行，緊固螺帽，不讓其移動。支架的高度是:放上并固定被檢熱電偶束后,熱電偶束中心(即標準熱電偶)與檢定爐軸向中心線重合,見圖2。
 
　　JJG351-96《工作用廉金屬熱電偶》檢定規程中，對檢定爐的均勻溫場有特別規定，要解決而以上一直未解決的問題是，如何保證熱電偶熱端從裝爐升溫前起到整個檢測過程結束時止，-.直處于均勻溫場中。以前已證明靠封堵爐口是解決不了的，經長時間的觀察、分析，只有在熱端墊上一個硬物，讓其支撐熱電偶束熱端，并起到定位作用，這個硬物的大小要合適，高溫下不會升華來污染熱電極，不會影響熱電偶的熱電特性。在--次檢定熱電偶時。偶爾發現其電極的絕緣瓷珠為7mmx12mm的扁平瓷珠，長度有100mm。厚為7mm的瓷珠與我們要找的東西幾乎完全-樣，于是換下兩根這樣的瓷珠，它在后來的試驗中取得成功。用這種瓷珠進行了幾種試驗。一是先將瓷珠放于均勻溫場中，后將熱電偶束熱端放在上面,存在不便操作的問題。二次瓷珠和熱電偶束一同進爐，操作起來較為麻煩。三是待熱電偶束捆扎好后，再將瓷珠捆在距熱端下方30mm左右地方，隨熱電偶同進爐，-步到位，這樣熱電偶束熱端不再因重力作用而離開均勻溫場。經過幾爐檢定，得出了一些經驗。現在，我們檢測熱電偶前的捆扎、進爐的具體操作方法是:首先，捆好被檢熱電偶束;其次，根據偶東大小選擇合適的瓷珠等，捆在距熱端30mm左右一方;第三,熱電偶束裝爐時，將捆有瓷珠的-面放在下方，進入檢定爐軸向溫場中心;第四，如爐膛光線不好時，用手電照明，從檢定爐的另-一頭觀察熱電偶的熱端在爐膛中的情況，四周距爐壁應基本一致，否則應進行調整，這樣保證了熱端全在均勻溫場中。第五，用硅酸鋁纖維封填，封堵兩頭爐口，接線、通電、升溫進行智能檢定。
　　如何選擇合適的氧化鋁瓷珠等物墊在熱電偶束下方作為熱端位置的支撐點，在此詳細介紹一下。檢定爐內徑為φ40mm，即R20mm，而R14mm為均勻溫場范圍，爐膛內壁四周有6mm不屬于均勻溫場。如φ3.2mm的熱電偶電極，焊接后的熱端小球有φ5mm左右，絕緣瓷珠一般為(10x12)mm,5支被檢加上標準，捆扎好后有φ30mm左右大小，只能選用厚為4mm的氧化鋁瓷條捆在偶束下方。由于電極的絕緣瓷珠外面距熱偶絲焊接小球有2mm左右，加上支撐墊物4mm,就可保證偶束熱端在R14mm的均勻溫場中。如果熱電偶電極為φ2.5mm或更細，墊物就更好選取了，就更容易滿足熱端在徑向R14mm的均勻溫場中。找厚為4mm的瓷條較難找，可用φ6mm的單孔瓷珠或用損壞的φ6mm石英玻璃管，捆在兩支熱偶所形成的凹中，捆一根就可以了。檢定電極為φ3.2mm的熱電偶我們選用的是一根φ6mm的單孔瓷珠;檢定電極為中2.5mm及以內的熱電偶時，用的是(7x12)mm的扁平雙孔瓷珠，見圖3。
 
　　凡是認為對熱電偶的檢測結果有影響的方面，而我們又能想出辦法進行改進的，均盡力做了。通過相關措施的實行,我們認為取得了一定效果。近-年來我們檢測了多批新熱電偶(新熱電偶才具有可比性)，同-一批熱電偶的檢測數據誤差不大。現在檢定人員對檢測結果做到了心中有數,不再有錯判和誤判的現象發生，提高了檢測數據的正確性和檢測結果的可靠性。