劉丹英，呂國(guó)義，張賀

(中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

熱電偶作為常用的溫度測(cè)量器具，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、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(guò)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(duì)熱電偶溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度要求越來(lái)越高，1500℃以上的高溫測(cè)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(lái)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(cè)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(shì)，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(wèn)題。

1 熱電偶量值傳遞體系目前存在的問(wèn)題

目前國(guó)防科技工業(yè)一級(jí)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(guó)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 ～1100℃及1100 ～1500℃溫度范圍內(nèi)對(duì)二、三級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)開(kāi)展量值傳遞工作［1-2］。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(guò)大、各等級(jí)熱電偶量傳水平相差不大和高溫溯源不完善等問(wèn)題。熱電偶量值傳遞關(guān)系示意圖如圖1、圖2所示。

1.1 熱電偶量值傳遞的不確定度過(guò)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(jí)、Ⅱ級(jí)貴金屬工業(yè)熱電偶和Ⅰ級(jí)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(duì)精密溫度測(cè)量需求的增加，越來(lái)越多的三級(jí)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(jí)機(jī)構(gòu)建立的一等鉑銠10-鉑熱電偶標(biāo)準(zhǔn)裝置無(wú)法對(duì)其量傳，因此三級(jí)機(jī)構(gòu)只能直接到一級(jí)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。

圖1 現(xiàn)有300 ～1100℃熱電偶量傳體系示意圖

圖2 現(xiàn)有1100 ～1500℃熱電偶量傳體系示意圖

在1100 ～1500℃溫度范圍，一級(jí)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(kāi)展二等標(biāo)準(zhǔn)和Ⅱ級(jí)工業(yè)鉑銠30-鉑銠6熱電偶的檢定;二級(jí)或三級(jí)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(kāi)展Ⅲ級(jí)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。如很多承接外包加工的企業(yè)都按照美宇航AMS2750 標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)熱處理加工設(shè)備進(jìn)行質(zhì)量控制。按照AMS2750E 的要求，對(duì)熱處理爐系統(tǒng)精度測(cè)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(zhǎng)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(jí)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(duì)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 ～0.4℃、0.4 ～0.6℃、0.6 ～1.0℃，對(duì)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(jí)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(lái)講，設(shè)置如此多的等級(jí)無(wú)太大必要。

實(shí)際上，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)組、一等和二等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電勢(shì)要求并無(wú)本質(zhì)的差別，只是對(duì)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(lái)源于標(biāo)準(zhǔn)器具，但由于各等級(jí)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。以檢定一等鉑銠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 ～0.6℃(即約為4 ～6μV)，如果兩次檢定結(jié)果無(wú)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(píng)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(cè)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，一些非標(biāo)準(zhǔn)分度熱電偶應(yīng)用也越來(lái)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(guò)相關(guān)的研究，但截至到目前還沒(méi)有正式的技術(shù)規(guī)范，需要進(jìn)一步開(kāi)展研究。

2 解決熱電偶量傳體系問(wèn)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(guó)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)［3］。目前中國(guó)計(jì)量科學(xué)院及國(guó)外多個(gè)國(guó)家計(jì)量院都深入開(kāi)展了高溫共晶點(diǎn)溫度復(fù)現(xiàn)技術(shù)的研究［4］，中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所也開(kāi)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(shì)，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(jí)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)用型固定點(diǎn)也得到了快速發(fā)展［5-6］。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(jí)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(cè)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?，在材料的熔煉拉制過(guò)程中，很難保證其各部分成分一致，在測(cè)量中會(huì)影響到熱電偶的輸出電勢(shì)。而且在使用過(guò)程中由于合金材料的選擇性揮發(fā)，會(huì)導(dǎo)致成分發(fā)生偏析，從而影響到熱電偶的長(zhǎng)期穩(wěn)定性［7］。

由兩種不同的純金屬材料制作的熱電偶則不存在上述問(wèn)題，其中Au-Pt 熱電偶、Pt-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1000 h 的條件下，其年穩(wěn)定性不超過(guò)±16 mK。Pt-Pd熱電偶在1100℃上進(jìn)行連續(xù)450 h 退火后，在銀凝固點(diǎn)上的熱電勢(shì)漂移為±10 mK/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(méi)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(guó)ASTM的E452-02(2007)《Standard Test Method for Calibration of Refractory Metal Thermocouples Using a Radiation Thermometer》給出的難熔金屬熱電偶的校準(zhǔn)方法。

國(guó)內(nèi)在上世紀(jì)七、八十年代對(duì)高溫?zé)犭娕夹?zhǔn)有過(guò)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(wèn)題。北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所于近幾年重新開(kāi)始進(jìn)行了深入研究，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(cè)量端位于爐體中部的均勻溫區(qū)，在保護(hù)管的側(cè)面開(kāi)有一個(gè)小型黑體腔，通過(guò)爐體側(cè)面的石英窗口用標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)測(cè)量爐體中心區(qū)的溫度。通過(guò)數(shù)據(jù)采集器采集被測(cè)熱電偶的電勢(shì)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(wèn)題的應(yīng)對(duì)策略

在未來(lái)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(cè)量等相關(guān)技術(shù)的最新成果，在一級(jí)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(jí)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(jí)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 ～1492℃范圍的固定溫度點(diǎn)，不確定度為0.2℃。通過(guò)與國(guó)家計(jì)量院同類裝置進(jìn)行比對(duì)，保證其復(fù)現(xiàn)溫度量值的準(zhǔn)確性和可靠性。

2)二級(jí)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(jí)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(guò)擬合插值的方法得到任意溫度點(diǎn)溫度量值。該等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度約為0.4℃，為與當(dāng)前的量傳體系保持一致，可稱為標(biāo)準(zhǔn)組熱電偶標(biāo)準(zhǔn)裝置。

3)三級(jí)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(jí)機(jī)構(gòu)通過(guò)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(kāi)展各級(jí)貴金屬、廉金屬熱電偶的計(jì)量工作。

4)對(duì)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(duì)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?？梢蚤_(kāi)展1500 ～2300℃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(duì)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)使一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)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(jí)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(wèn)題。

圖3 未來(lái)300 ～1500℃熱電偶量傳體系設(shè)想

4 結(jié)束語(yǔ)

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(guó)防科技工業(yè)一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)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(jí)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(jí)量傳;在1500℃采用標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)通過(guò)高溫黑體熱電偶校準(zhǔn)裝置對(duì)高溫?zé)犭娕歼M(jìn)行量傳，其相對(duì)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)量的最新技術(shù)，可以解決300℃以上熱電偶量傳的現(xiàn)有問(wèn)題，滿足其新形勢(shì)下的熱電偶的溯源需求。

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