接线端恒温器的研制与应用

王 喆，沈文杰，王晓丹，李强光

（天津市计量监督检测科学研究院，天津300192）

短型廉金属热电偶（以下简称短型偶）是一类电极长度较短的可拆卸式廉金属热电偶（电极长度为300 mm～500 mm）[1]和廉金属铠装偶（金属套管长度为300 mm～500 mm）[2]的统称。 传统的测量设备和测量方法在高温温区（300 ℃以上）往往无法准确测量其示值偏差。 通过研究短型偶的测温原理，设计实验找到其测不准的原因，根据原因设计和制造接线端恒温器，并应用于管式炉校准短型偶时，其可将热电偶电极（或铠装偶金属套管）在管式炉外露出部分以及热电偶参考端和补偿导线接线处保持恒定温度。 通过实验验证其可以减小热传导损失热量对测量准确度的影响，减小校准短型偶示值偏差的扩展不确定度[3]。

传统的校准方法只适用于校准电极长度不小于500 mm 的可拆卸式廉金属热电偶（和金属套管长度不小于500 mm 的铠装热电偶）。 国内外还没有对于500 mm 以下的热电偶校准的相关标准，这种尺寸较短的热电偶往往大量应用于建筑、石化、军工和航空航天领域，其示值偏差的准确程度还无法保障。

现行的热电偶相关检定规程中只有工作用贵金属热电偶涉及到了短型尺寸（JJG668-1997 工作用铂铑10-铂（铂铑13-铂）短型热电偶[4]），但是其测量方法和相关标准器和配套设备的技术指标并不适用于短型廉金属热电偶和铠装热电偶的测量。 全国各法定计量检定机构和相关计量技术机构对于短型廉金属热电偶使用的标准器和配套设备也没有统一要求[5～7]。 国外对短型廉金属热电偶的研究较少，目前最短的尺寸为也大于500 mm，工作中只进行首次检定，使用过程中发现示值偏差漂移就做报废处理[8～10]。

1 测不准原因分析

1.1 理论分析

在实际工作中， 热电偶丝的材质是可靠的，制造过程也符合相关标准[11]。制成普通尺寸（大于等于500 mm）廉金属热电偶，示值偏差符合其准确度。 但在制成短尺寸（小于500 mm）廉金属热电偶后，经过校准其示值偏差往往出现超差现象，示值偏差多为负偏差。 这一问题一直没有得到很好的解决，很多设备使用短型偶无法保证其准确度，其量值无法溯源到国家基准[12]。

将同样材质的廉金属热电偶，尺寸从1000 mm截短到300 mm，每个尺寸使用传统的校准方法校准其示值误偏差。 示值偏差的变差情况如表1所示。

表1 截短实验结果Tab.1 Truncated experimental results

我国规定廉金属热电偶工作用1 级的最大允许误差为±1.5 或±0.6%t；工作用2 级的最大允许误差为±2.5 或±0.75%t[13]。 从表中可以看出最大的变差为-1.33 ℃，这一量级已经严重影响对被校热电偶准确度等级的判定。

产生这样结果的原因是多方面的，其中最重要的还是和热电偶规格尺寸相关。 在排除掉人为操作的问题和设备测量重复性这2 个原因以后，热电偶的制造材料可靠还产生较大示值偏差的原因，应该发生在测量端和参考端两个部分。 测量端产生的误差可能和管式炉温场均匀性有关，参考端产生的误差可能和补偿导线、转换开关、参考端和数字多用表有关。 长度为300 mm 左右的热电偶，插入炉中心后，露出在炉外的部分只有不到150 mm。 由于热电偶本身的金属材质也是高效导热体，这样会造成误差产生原因的变化，热电偶测量端的温度难以和测量标准以及炉温保持平衡，热量通过热电偶不断传导到室温环境下，然而标准热电偶还是规范中要求的正常尺寸，导热效率也没有被校偶高，所以造成了被校偶的测量端实际温度低于标准热电偶的测量端。

1.2 测量端温差实验

这样的热量流失问题就是源于被校热电偶的尺寸较短， 这一点在铠装热电偶上表现的更为明显，其结果就是校准后材料可靠的热电偶的示值偏差往往由于负偏差不符合国家标准的要求。 所以通过以下实验验证以上推测是否正确，从而找到短型偶测不准的原因。

如图1、图2 所示，将贵金属热电偶的测量端焊接在廉金属热电偶的测量端上，通过测量准确度更高的工作用贵金属热电偶，测量廉金属热电偶在校准过程中测量端的实际温度。 通过比较廉金属热电偶测量端的显示值和实际值找到短型廉金属热电偶在校准过程中示值偏差较大的原因。

图1 测量端温差实验示意图Fig.1 Schematic diagram of temperature difference experiment for sensitive part of thermocouple

图2 测量端焊接实物图Fig.2 Pictures of welding object for thermocouple temperature sensitive part

实验结果经过整理如图3 所示。

图3 温差实验数据比较Fig.3 Experimental results of temperature difference of thermocouple sensitive part

由图3 可知，短型偶校准时，显示温度与测量端实际温度的差值随着管式炉尺寸的减小而增大（热电偶检定炉温场均匀性受其尺寸影响， 尺寸较长的均匀性较好，用于校准热电偶所得结果与真值越接近），随着被校偶的长度尺寸的减小而增大。 其变差往往是负值，验证了对短型偶测不准原因的推测是正确的。

由于材质不同，电极直径粗细不同被校热电偶的导热速率往往比标准热电偶快。 这样就会造成被校热电偶的测量端和标准热电偶的测量端产生一定的温差。 标准热电偶在炉内需要使用保护管，这样就无法通过测量端的完全接触解决这一问题；由于相关检定规程对标准热电偶的尺寸有要求，也不能将标准热电偶的尺寸截短到与被校偶相同；更无法通过较长的稳定温度时间来弥补两者的温差；短型热电偶检定炉或管式炉温场均匀性在技术上提高的空间不大。 所以在热源设备没有重大革新的情况下，在热电偶接线端附近引入恒温设备，尽可能地平衡热电偶在检定炉内外较大温差引起的热量流失问题。

2 设计方案

2.1 接线端温度实验

热电偶接线端附近一般由热电偶偶丝、补偿导线和信号线组成，将接线端温度保持恒定的设备称之为“接线端恒温器”。 在加入接线端恒温器之前需要确定恒温的温度。 通过以下实验找到恒温器在实际应用中控制在多少温度更为合理。

使用数字温度计和表面温度计，测量短型热电偶炉外部分温度、接线端部分温度和炉温温度之间的关系。 从而为接线端恒温器的设计和使用短型热电偶检定炉校准短型廉金属热电偶的研究提供依据。

将1 支短型偶插入短型热电偶检定炉内，如图4 所示。 热电偶的测量端位于炉内均匀温场最高温度处，炉口用防火棉封堵。 将热电偶检定炉升温，从下限温度到上限温度测量（300 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃、1000 ℃、1200 ℃）[14-15]。

图4 接线端温度实验示意图Fig.4 Experimental schematic diagram of terminal temperature

通过测量各个位置绝缘磁珠的表面温度以及偶丝温度，得到炉温与短型偶热电极（炉外部分）温度的关系，经过整理如图5 所示。

图5 接线端温度实验结果Fig.5 Experimental results of terminal temperature

2.2 接线端恒温器结构

接线端恒温器由加热组件，热循环组件，保温材料和温控器组成，加热介质为空气，通过空气对流的方式完成热电偶接线端部分的热交换和保温控温。 其单侧有开口，另一侧封闭，结构如图6 所示。 加热组件由8 个电阻加热片构成，可以快速进行升降温，耐热风扇负责对流循环。 保温帘和保温罩可以保证恒温器工作区域内具有200 mm 长的轴向均匀温场，温场内任意点温度偏差不超过±1 ℃。

控温仪采用博特BT10S 型双通道温度指示控制仪，控温仪表准确度0.5 级，分辨力0.01 ℃，具有热电阻、热电偶分度表，可以记录10 组PID 调节[16]。保温材料应保证恒温温度范围为（40～120）℃，插入深度不短于300 mm，全长约在600 mm。

2.3 接线端恒温器的恒温性能

使用多通道温度巡检仪测量恒温器的恒温性能。 温度巡检仪的测量准确度为0.01 级，具有9 个Pt100 型温度传感器，将其依次编号为“0#～8#”，捆扎在石英管上，间隔5 mm 呈均匀分布。 将捆扎后的石英管放置在接线端恒温器内， 用支架固定好，保证温度传感器位于恒温器的轴向几何中心。 其测量方法如图7 所示。

准备工作完成后将接线端恒温器升温至50 ℃，恒温20 min，开始读取巡检仪示值。采集间隔15 s，采集时间5 min。 其测量结果经过数据处理如表2 所示。

图7 接线端恒温器温场测试示意图Fig.7 Terminal thermostat temperature field test diagram

表2 恒温器实验结果Tab.2 Terminal thermostat experimental results

由上表可知，从传感器3#～8# 范围内，轴向温场任意两点间温差绝对值不超过1 ℃。 所以该恒温器具有200 mm，±1 ℃的均匀温场。 均匀温场内5 min 波动度不超过0.2 ℃，满足设计要求。

3 实验结果和验证

3.1 接线端温度实验

在校准短型偶中加入接线端恒温器，通过热电偶截短实验验证有效性， 同样材质的廉金属热电偶， 尺寸从1000 mm 逐步截取到300 mm 的示值偏差的变差情况。

测量标准采用1 等标准铂铑10-铂热电偶，被校热电偶采用稳定性较好的N 型[17]，准确度等级优于工作用1 级[18]，并且示值偏差经过校准后的热电偶。在厂家制成1000 mm 后， 使用传统的校准方法，参照JJF1637-2017《廉金属热电偶校准规范》，校准出各温度点的示值偏差，以这一值作为实验数据比较的参考值。

从1000 mm 依次截短到300 mm， 使用短型检定炉校准其各个温度点的示值偏差作为与参考值的比较值，比较值减去参考值即为某支热电偶在该温度下示值偏差的变差。 数据经过处理和修正，比较使用恒温器和不使用恒温器2 种情况下变差的变化情况，起变化小于等于廉金属热电偶2 级允差的模的1/3[19]，即可证明接线端恒温器的有效性，并且找到恒温器从（40～100）℃内，整10 ℃的最优控温温度点。

图8 接线端影响实验接线图Fig.8 Experimental wiring diagram of terminal thermostat

3.2 数据处理和结果分析

实验数据经过计算如表3 所示。

经过整理如图9 所示。

由以上实验可知，接线端恒温器在校准短型偶的过程中有很好的正面影响。 在接线端恒温器恒定在（40～60）℃左右，短型廉金属热电偶（可拆卸式）的示值偏差与原尺寸传统方法检定的示值偏差更为接近。 所以可以得出接线端恒温器在校准短型廉金属热电偶是可以一定程度减小不确定度，也验证了采用接线端恒温器的新的校准方法校准短型偶更为准确。

图9 接线端影响实验结果Fig.9 Experimental results of terminal thermostat

4 结语

由以上可知，短型偶在300 ℃以上，使用热电偶检定炉校准，测不准的原因是由于其尺寸过短，偶丝作为导热体对炉温温场的平衡有较大的影响，将炉内热量不断的传导到炉外，造成其测量端和标准热电偶的测量端无法达到热平衡状态，从而造成其示值偏差出现了较大的负偏差。 在短型热电偶检定炉炉温温场均匀性在现有技术手段下无法提高的情况下，短型偶炉外部分使用接线端恒温器，控温在（40～60）℃左右可以减少热电偶测量端热量的流失，测量结果与真值[20]更为接近，校准结果的扩展不确定度更小。