拉伸试验机加热炉校准方法的探讨及校准结果的不确定度评定
2021-08-20王海涛周原王荣双
王海涛 周原 王荣双
【摘要】 本文对从原理、校准用标准器、校准过程中的注意事项等方面对拉伸试验机加热炉校准方法进行了探讨，并对校准结果的不确定度进行了分析。
【关键词】 拉伸试验机加热炉;校准;不确定度
【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2021.04.020
Discussion on Calibration Method of Heating Furnace of Tensile Testing Machine and Evaluation of Uncertainty
WANG Hai-tao1，ZHOU Yuan2，WANG Rong-shuang2
（1.Liaoning Institute of Measurement，Shenyang 110004，China;
2.Haibin Electric Corporation
Abstract： The calibration method of the heating furnace of the tensile testing machine was discussed from the aspects of principle，calibration standard， and the precautions in the calibration process，and the uncertainty of the calibration results wasanalyzed.
Key words： heating furnace of tensile testing machine;calibration;uncertainty
金屬材料在高温下持续受力工作，性能会发生一定变化，通常表现为蠕变、松弛、热疲劳，甚至可能发生持久断裂。因此，高温下短时拉力所测得的性能就成为衡量材料力学性能的重要指标。有时为了确定热加工的工艺，也需要测定材料在热加工温度下的短时拉伸性能力。高温拉伸试验也叫高温短时拉伸试验，高温短时拉伸试验特点是：试验可以在普通的拉力试验机或万能材料试验机上进行，但需附加加热与测温装置及耐高温的试样夹具及引伸计。[1]
1 概述
拉伸试验机加热炉是拉伸试验的关键设备之一，其控温精度、波动度、温度梯度对试验结果具有至关重要的影响。加热炉主要由控温装置，传感器、外壳、保温材料、加热丝或加热棒等部分组成，目前主流的加热炉均采用三段式加热，加热丝分为上段，中段，下段。[2]三组控温热电偶沿轴向以炉体中心为中点均匀分布。如图1所示。
2 加热炉校准方法及注意事项
根据GB/T 2039-2012《金属材料 单轴拉伸蠕变试验方法》[3]，高温拉伸试验机规定温度的显示偏差和梯度一般不超过表1要求。测量中，如发现指标超出要求需要对仪表或者加热炉本身进行修正或维修。
校准加热炉的传感器一般选用经过校准的Ⅰ级廉金属热电偶，电测仪表一般采用过程校验仪或者巡检仪，为了保证校准结果可信，整套设备不确定度一般不应超过1.0 ℃。校准时采用5支热电偶沿轴向同时测量，一般按照图2方法布置测量点。如图2所示，其中三支热电偶的测量点与控温偶一致，另外一支延长线方向。需要注意的是，由于高温时辐射热会对温度测量产生一定影响，因此，一般采取石棉线或者耐高温胶带固定测温热电偶，避免热电偶直接接受加热丝热辐射，引起测量误差。同时为了更准确的反应温度梯度，单次测量中，应尽量在最短的时间内扫描所有的热电偶。
3 不确定分析
3.1 数学模型
[δt=T-T]
式中：[δt]——温度偏差，℃;
[T]——热电偶测得实际温度的平均值，℃;
[T]——控温系统显示温度平均值，℃。
合成方差和灵敏系数
[u2c=[c1u（T）]2+][[c2][u]（T）]2
其中：[c1=?δt?T=1]，[c2=?δt?T=-1]。故：
[u2c=][u2（T）]+[u2（T）]
3.2 计算温度偏差的不确定度
3.2.1 输入量[T]引入的不确定度[u（T）]
3.2.1.1 输入量[T]重复测量引入的不确定度[u（T1）]
在拉伸炉校准温度为800 ℃时，测温仪器在得到最高平均值的测温点读取温度值，共计20次。测量值及计算结果见表3，属A类不确定度分量，服从正态分布。
平均值的标准不确定度：
[u（T1）=S（T）÷20=0.20] ℃
3.2.1.2 温度校准装置修正值引入的不确定度[u（tx1）]
校准证书中可知，温度校准装置修正值的扩展不确定度1.0 ℃（[k=]2），标准不确定度为：
[u（T2）=0.50] ℃
输入量[T]的合成不确定度[u（T）]为：
[u（T）=u2（T1）+u2（T2）=0.54] ℃
3.2.2 输入量T引入的不确定度[u（T）]
输入量T引入的不确定度主要是由温控系统的分辨力引入的[u（T）]，被校拉伸试验炉的分辨力为0.1 ℃，区间半宽为0.05 ℃，服从均匀分布，k=3，其标准不确定度为：
[u（T）=0.029] ℃
3.2.3 合成标准不确定度
[uc=u2（T）+u2（T）=0.062] ℃
3.3 温度偏差测量结果的扩展不确定度
[U=kuc=2×0.062=1.3] ℃
4 结语
拉伸试验机加热炉温度准确与否，对材料试验结果的准确性至关重要。本文对拉伸试验机加热炉校准方法以及校准中应注意的事项进行了探讨，为试验人员的提供了经验。本文同时对测量结果的不确定度进行了评定，为温度参数对试验结果影响评价具有一定的借鉴意义。
【参考文献】
[1] 周帅.蠕变（持久）试验机用高温炉的研制[D].沈阳：东北大学，2011.
[2] 吴安民，张志华，邱鹏，等.持久蠕变试验用高温加热炉的改造[J].工程与试验，2016（3）：66-69.
[3] 金属材料 单轴拉伸蠕变试验方法：GB/T 2039-2012[S].
【作者简介】
王海涛（1985-），男，高级工程师，硕士，研究方向为温度专业相关检定、校准、检测等。
