牛興軍, 張婷婷, 方立德, 盧小豐

(1. 河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院,河北 保定 071002； 2. 中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院,北京 100029)

1 引 言

熱電偶主要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中溫度的控制及監(jiān)測(cè),溫度控制準(zhǔn)確與否,直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。隨著鉑銠熱電偶的價(jià)格飛速增長(zhǎng),人們將視野轉(zhuǎn)移到了具有價(jià)格低、熔點(diǎn)高、靈敏度高、熱電勢(shì)高等優(yōu)點(diǎn)的鎢錸熱電偶[1～3]。鎢錸熱電偶在測(cè)溫領(lǐng)域是較好的高溫材料,其應(yīng)用的領(lǐng)域也逐漸擴(kuò)大,提升鎢錸熱電偶的測(cè)溫精確度,對(duì)我國(guó)工業(yè)的發(fā)展有著積極的促進(jìn)意義。

早在20世紀(jì)70年代美國(guó)材料與試驗(yàn)學(xué)會(huì)(ASTM)對(duì)鎢錸熱電偶進(jìn)行了統(tǒng)一分度和標(biāo)準(zhǔn)化。我國(guó)21世紀(jì)90年代制定了標(biāo)準(zhǔn)和分度值,完成了對(duì)鎢錸偶絲的標(biāo)準(zhǔn)化[4]。2011年日本國(guó)家計(jì)量院(NMIJ)在0～1 550 ℃溫度范圍內(nèi)校準(zhǔn)了鎢錸熱電偶,結(jié)果發(fā)現(xiàn)熱電偶的熱電勢(shì)輸出會(huì)受到不均勻性的影響[5]。英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)Ongrai O等制備了微型釕碳(Ru-C)共晶固定點(diǎn)(熔點(diǎn)1 954 ℃)用于鎢錸熱電偶的自校準(zhǔn),評(píng)估鎢錸熱電偶的重復(fù)性和穩(wěn)定性；但是利用固定點(diǎn)評(píng)價(jià)鎢錸偶,固定點(diǎn)太小而會(huì)受熱環(huán)境的影響[6]。王魁漢等探討了鎢錸熱電偶在高溫下的穩(wěn)定性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)鎢錸偶在1 000 ℃時(shí)穩(wěn)定性變差,發(fā)生了氧化反應(yīng)[7]。劉丹英[8]等對(duì)鎢錸熱電偶進(jìn)行了校準(zhǔn),標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)測(cè)溫孔與鎢錸偶阱不在同一水平方向,測(cè)量孔間的差異評(píng)價(jià)較難；此外還需要對(duì)石英窗口透過率進(jìn)行修正,石英窗口的污染也可能會(huì)對(duì)光電高溫計(jì)測(cè)量結(jié)果有影響。

本文提出了一種基于高溫黑體爐的鎢錸熱電偶校準(zhǔn)方法,優(yōu)化設(shè)計(jì)適用熱電偶校準(zhǔn)的均溫石墨塊,并評(píng)價(jià)均溫塊的均勻性；熱電偶測(cè)溫阱與黑體空腔在同一水平方向,不需要窗口保護(hù),利用鉑銠10-鉑熱電偶的校準(zhǔn),評(píng)價(jià)了本校準(zhǔn)方法的可靠性,最終實(shí)現(xiàn)了鎢錸高溫偶在800～2 000 ℃的熱電勢(shì)校準(zhǔn)和不確定度評(píng)價(jià)。

2 工作原理及校準(zhǔn)方法

2.1 熱電偶測(cè)溫原理

熱電偶的工作原理是2種不同成分的導(dǎo)體或半導(dǎo)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(shì),稱為塞貝克效應(yīng)[9,10]。如圖1所示,當(dāng)A和B兩種不同半導(dǎo)體或?qū)w材料連接成回路,一端為T,稱為工作端或熱端，另一端為T0，稱為參考端或冷端。當(dāng)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(shì),這個(gè)電動(dòng)勢(shì)就是熱電偶的輸出電勢(shì)EAB。EAB公式為：

圖1 熱電偶測(cè)溫原理Fig.1 Principle of thermocouple measurement

(1)

式中：ΔUA為導(dǎo)體A產(chǎn)生的電壓；ΔUB為導(dǎo)體B產(chǎn)生的電壓；SAB為熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)率；NA和NB為自由電子數(shù)；k為玻爾茲曼常數(shù),k≈1.38×10-23J/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(shì)與兩端的溫度變化有關(guān),即不同的電勢(shì)對(duì)應(yīng)著不同溫差[1]。當(dāng)T0恒定且已知時(shí),只要測(cè)出EAB就可以得到被測(cè)目標(biāo)的溫度。

2.2 鎢錸偶校準(zhǔn)方法

本文設(shè)計(jì)的方法是用高溫黑體爐作為熱源,標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器,用光電瞄準(zhǔn)爐體內(nèi)部均溫塊的中心孔,測(cè)量均溫塊的中心孔溫度作為標(biāo)準(zhǔn)溫度。將鎢錸偶的工作端插入均溫塊的周圍小孔,鎢錸偶的冷端置于冰點(diǎn)瓶,采集熱電偶的輸出電勢(shì)和光電高溫計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)溫度,獲得二者的對(duì)應(yīng)關(guān)系。鎢錸偶經(jīng)過孔間差修正可以獲得整百K的熱電勢(shì),并與ASTM標(biāo)準(zhǔn)的參考熱電勢(shì)進(jìn)行比較,鎢錸偶的校準(zhǔn)示意圖見圖2。

圖2 鎢錸偶校準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Calibration system of tungsten-rhenium thermocouple

3 樣品制備及溫場(chǎng)測(cè)試

3.1 鎢錸偶的制備

制備熱電偶的主要設(shè)備與材料：熱電偶焊接機(jī),其有效焊接范圍0.10～1.00 mm,AC輸入電壓90～265 V；純度99%的雙孔氧化鋁陶瓷管,管直徑3.2 mm,長(zhǎng)度500 mm；鎢錸熱電偶絲(C型),絲直徑0.5 mm；氧化鉿；氧化鉿雙孔陶瓷管；鉭管；漆包線等。

本文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(fù)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圖3。

圖3 鎢錸熱電偶Fig.3 Tungsten-rhenium thermocouple

3.2 均溫塊設(shè)計(jì)

溫場(chǎng)是校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度重要來源之一,而管式爐的溫場(chǎng)好壞與均溫塊有著直接的聯(lián)系[11]。為了得到校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度,均溫塊的均勻性必須考慮在內(nèi)。本文設(shè)計(jì)了2種均溫塊樣式(中字型和工字型,以下分別簡(jiǎn)稱a型和b型),通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)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。

圖4 a型和b型均溫塊Fig.4 Type a and b thermostat

3.3 均溫塊均勻性測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)前首先對(duì)帶有均溫塊的高溫爐進(jìn)行溫度控制參數(shù)重新整定,得到一組與溫度范圍相關(guān)的PID參數(shù),保持良好的控溫穩(wěn)定性。均溫塊的軸向均勻性測(cè)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S偶)插入均溫塊測(cè)溫阱底部,間隔10 mm往外移動(dòng)S偶,測(cè)得均溫塊測(cè)溫阱在20 mm深度的軸向均勻性[12,13]。

表1為2種均溫塊下孔的軸向均勻性測(cè)試數(shù)據(jù),用同1個(gè)熱電偶,在800～1 200 ℃內(nèi),每隔200 ℃的溫度點(diǎn)上進(jìn)行軸向均勻性測(cè)試(S偶熱電勢(shì)單位為mV)。由表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：2種均溫塊均勻性略有差異,在各個(gè)溫度點(diǎn)b型均溫塊均勻性略優(yōu)于a型均溫塊,但均在1 ℃以內(nèi)。

表1 均溫塊軸向溫場(chǎng)Tab.1 Axial temperature uniformity of thermostat mV

均溫塊的徑向均勻性測(cè)試,使用標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)瞄準(zhǔn)均溫塊各測(cè)溫孔,上下左右移動(dòng)測(cè)試各孔的溫度差。表2為2種均溫塊的測(cè)溫阱溫差測(cè)試數(shù)據(jù)。

表2 均溫塊徑向溫場(chǎng)Tab.2 Cavity temperature difference of thermostat ℃

表2中的測(cè)試分別在800，1 200，1 700，2 000 ℃溫度點(diǎn)上進(jìn)行。由表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：2種均溫塊的均勻性具有相似的規(guī)律,在左、右、上、下4個(gè)位置的溫度差異規(guī)律類似；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?。籦型均溫塊的孔間差也略優(yōu)于a型均溫塊。

通過分析均溫塊軸向、徑向均勻性數(shù)據(jù),總體來說b型與a型均溫塊的均勻性接近同一水平,b型均溫塊略優(yōu)于a型均溫塊,本文選擇b型均溫塊實(shí)驗(yàn)。

3.4 校準(zhǔn)方法的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證基于高溫黑體爐的鎢錸偶校準(zhǔn)方法,首先對(duì)鉑銠10-鉑S型熱電偶進(jìn)行了校準(zhǔn)分度。標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)測(cè)量了高溫黑體爐在1星期的溫度變化,對(duì)其復(fù)現(xiàn)性進(jìn)行評(píng)價(jià),高溫黑體爐的溫度復(fù)現(xiàn)性基本在0.5～1 ℃以內(nèi),如圖5所示。

圖5 爐體的復(fù)現(xiàn)性Fig.5 Reproducibility of the furnace

利用熱電偶均勻性測(cè)試裝置,測(cè)試了S偶的均勻性。如圖6所示,S偶在校準(zhǔn)前后的均勻性在0.05%～0.06%之內(nèi),校準(zhǔn)前后S偶的均勻性幾乎沒有變化,對(duì)熱電勢(shì)校準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)影響可以忽略。

圖6 S偶校準(zhǔn)前后不均勻性變化Fig.6 Non-uniformity of S thermocouple before and after calibration

利用基于高溫黑體爐的熱電偶校準(zhǔn)方法對(duì)S偶校準(zhǔn)分度,修正孔間差異后,圖7為校準(zhǔn)結(jié)果誤差, 在800～1 300 ℃范圍內(nèi)誤差小于0.5 ℃,不確定度評(píng)估為0.8～1.5 ℃,k=2。經(jīng)S偶的校準(zhǔn)分度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于高溫黑體爐的高溫偶校準(zhǔn)方法可行性。

圖7 校準(zhǔn)結(jié)果示值誤差Fig.7 Calibration error of S thermocouple

4 結(jié)果分析

4.1 校準(zhǔn)結(jié)果分析

為了防止鎢錸熱電偶氧化,在校準(zhǔn)時(shí)黑體爐通有99.999%高純氬氣；在均溫塊測(cè)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(yàn)選擇了不同來源的C型鎢錸偶絲進(jìn)行初步校準(zhǔn)測(cè)試,修正孔間差異后的測(cè)試結(jié)果,某公司不同批次生產(chǎn)的偶絲,熱電勢(shì)測(cè)試結(jié)果差異較大。A批次生產(chǎn)的偶絲,在800～1 600 ℃的溫度誤差變化穩(wěn)定,誤差接近10 ℃左右。B批次生產(chǎn)的偶絲校準(zhǔn)溫度誤差約在±5 ℃以內(nèi),如圖8(a)。另一廠家同批次生產(chǎn)的不同偶絲,校準(zhǔn)溫度差也能控制在1%之內(nèi),如圖8(b)。

圖8 C型鎢錸偶的校準(zhǔn)結(jié)果Fig.8 Calibration results of tungsten-rhenium thermocouple

圖8(b)中的2號(hào)鎢錸偶800～2 000 ℃的熱電勢(shì)校準(zhǔn)結(jié)果見表3所示,在800～1 800 ℃范圍內(nèi)相對(duì)誤差基本在0.5%內(nèi),當(dāng)升溫到2 000 ℃時(shí)熱電勢(shì)突然降低,與標(biāo)準(zhǔn)熱電勢(shì)的誤差近70 ℃。降溫后發(fā)現(xiàn)誤差突變可能是后端氧化鋁絕緣雙孔陶瓷管被熔化導(dǎo)致的結(jié)果,而插入均熱塊內(nèi)的氧化鉿并沒有熔化的現(xiàn)象?；蛘呤擎u錸偶在無密封情況下直接吹氬氣保護(hù)下,可能2 000 ℃時(shí)與少部分空氣發(fā)生氧化行為,后續(xù)實(shí)驗(yàn)增加氧化鉿雙孔陶瓷管的長(zhǎng)度，增加了80mm，使氧化鋁陶瓷管遠(yuǎn)離高溫區(qū),降低后端氧化鋁陶瓷管的溫度。

表3 2號(hào)鎢錸偶校準(zhǔn)結(jié)果Tab.3 Calibration results of No.2 tungsten rhenium thermocouple ℃

選擇與1號(hào)同一批鎢錸偶絲制成鎢錸熱電偶,增加氧化鉿長(zhǎng)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題及高溫下鎢錸熱電偶與空氣接觸發(fā)生氧化的問題。

實(shí)驗(yàn)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(hù),再對(duì)鎢錸熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)。鎢錸熱電偶校準(zhǔn)依次按最高溫度點(diǎn)1 600,1 700, 1 800,1 900,2 000 ℃進(jìn)行6次重復(fù)性校準(zhǔn),前4次最高溫度不超過1 900 ℃,校準(zhǔn)重復(fù)性和誤差均能保持在1%內(nèi),誤差隨溫度的變化趨勢(shì)與1號(hào)鎢錸熱電偶誤差變化趨勢(shì)一致。鎢錸偶在經(jīng)過2 000 ℃高溫后,本身性能發(fā)生巨大變化，8 00～1 400 ℃誤差趨勢(shì)與未達(dá)到2 000 ℃時(shí)的誤差趨勢(shì)基本一致,1 400～2 000 ℃時(shí),誤差發(fā)生變化,第一次到2 000 ℃時(shí),是先增大再減小,第二次是突然減小又增大,說明鎢錸偶經(jīng)2 000 ℃高溫過程后,穩(wěn)定性能變差,校準(zhǔn)結(jié)果如圖9。

圖9 鎢錸偶的校準(zhǔn)重復(fù)性Fig.9 Repeatability of tungsten rhenium thermocouple calibration

4.2 不均勻性分析

由于熱電偶在制造和使用過程中偶絲成份產(chǎn)生變化而導(dǎo)致偶絲不均勻的現(xiàn)象,會(huì)導(dǎo)致沿軸向上的賽貝克系數(shù)產(chǎn)生變化。熱電偶的不均勻性是其測(cè)溫誤差的重要來源之一[14～16]。在校準(zhǔn)熱電偶時(shí)必須考慮被校準(zhǔn)熱電偶自身的不均勻性影響。本文測(cè)試鎢錸偶均勻性的方法是兩介質(zhì)法[17～19],兩種介質(zhì)分別是硅油和空氣。通過在恒溫油浴中不同的浸入深度,獲取熱電偶的熱電勢(shì)沿軸向的變化規(guī)律。

在油槽設(shè)定不同的溫度(180，200 ℃)時(shí),對(duì)同一只新鎢錸偶進(jìn)行均勻性測(cè)試,待油槽溫度穩(wěn)定鎢錸偶換熱平衡后開始采集熱電勢(shì),熱電偶沿軸向移動(dòng),逐漸增加浸入油槽的深度,熱電勢(shì)先上升然后逐漸平緩。測(cè)量結(jié)果顯示在180 ℃和200 ℃,熱電偶均勻性變化趨勢(shì)基本相同,油槽溫度對(duì)均勻性的測(cè)試結(jié)果影響較小,可根據(jù)需求選擇180，200 ℃或其他更高溫度,測(cè)量熱電偶的不均勻性,見圖10。

圖10 不同溫度測(cè)試的不均勻性Fig.10 Non-uniformity of thermocouple at different temperatures

鎢錸熱電偶在800～2 000 ℃校準(zhǔn)后的不均勻性變化如圖11所示。 鎢錸偶經(jīng)過第1次1 600 ℃高溫后產(chǎn)生較大變化,軸向均勻性差異達(dá)到0.5%,后續(xù)經(jīng)過1 700 ℃到2 000 ℃校準(zhǔn)后,鎢錸偶不均勻性差異變化較小,均在0.5%之內(nèi)。由圖也可以看出鎢錸偶前端100 mm正處于高溫爐高溫區(qū),高溫下成份擴(kuò)散等原因?qū)е戮鶆蛐宰儾睢?/p>

圖11 校準(zhǔn)前后不均勻性Fig.11 Non-uniformity before and after calibration at different calibration maximum temperature

5 不確定度評(píng)定

鎢錸偶的校準(zhǔn)不確定度來源包括標(biāo)準(zhǔn)光電高溫度計(jì),黑體爐及均熱塊的溫場(chǎng)性能,熱電偶參考端、電測(cè)儀表等,此外還包含熱電偶自身的穩(wěn)定性、均勻性等。不確定度評(píng)估見表4,鎢錸偶不確定度為 3.7～29.2 ℃；鎢錸偶在2 000 ℃不確定度突然變大的主要原因來自熱電偶自身耐用性變差[20]。

表4 鎢錸偶不確定度Tab.4 Uncertainty of tungsten ruthenium ℃

6 結(jié) 論

(1)設(shè)計(jì)了一套基于高溫黑體爐的鎢錸偶等高溫?zé)犭娕夹?zhǔn)裝置,高溫爐短期穩(wěn)定性優(yōu)于0.1 ℃,長(zhǎng)期復(fù)現(xiàn)性優(yōu)于1 ℃。在800～1 300 ℃對(duì)S偶的進(jìn)行了校準(zhǔn),熱電勢(shì)誤差小于0.5 ℃,不確定度評(píng)估為 0.8～1.5 ℃,k=2,實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明該裝置對(duì)高溫?zé)犭娕嫉男?zhǔn)分度具有可行性。

(2)優(yōu)化設(shè)計(jì)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20 mm范圍內(nèi)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(duì)不同來源的鎢錸熱電偶進(jìn)行了熱電勢(shì)校準(zhǔn),校對(duì)溫度最高到1 900 ℃時(shí)的測(cè)試結(jié)果表明,重復(fù)性和校準(zhǔn)誤差均在1%以內(nèi),不確定度約為3.7～13.0 ℃,k=2。

(3)對(duì)鎢錸偶校準(zhǔn)溫度最高到2 000 ℃時(shí)測(cè)試結(jié)果顯示耐用性明顯變差,且兩次實(shí)驗(yàn)后鎢錸偶絲斷裂。