由于S型热电偶测温准确度高, 稳定性好, 使用寿命长, 可测量的温度范围宽, 高温下抗氧化性能好, 长期最高使用温度可达1300℃, 短期最高使用温度可达1600℃[1], 因此越来越多的单位将工业S型热电偶用于1100℃以上温度点的测量。目前, 针对S型热电偶的检定规程[2]其测量温度范围为300~1100℃, 无法满足工业计量的实际需求。如何对工业S型热电偶1100℃以上温度点进行校准, 是目前热电偶检定工作的一个难题。

本文针对S型热电偶高温校准问题提供以下几种解决方案:

方案一:应用标准铂铑10-铂热电偶组标准装置校准工业S型热电偶Zn, Al, Cu点的热电势值, 再通过外推计算[3]1100℃以上温度点的热电势值。此方法具有校准工作量小, 对标准器的损耗小等特点, 可以满足对热电偶校准准确度要求不高的应用场合。

方案二:以标准铂铑10-铂热电偶组作为标准器, 利用标准铂铑10-铂热电偶组证书给出的Zn, Al, Cu点热电势值外推计算得出标准器在1100℃以上被校温度点的热电势值, 然后再采用双极比较法得出被校工业S型热电偶1100℃以上相应温度点的热电势值。此方法具有检定准确度高的特点, 可以满足各类应用场合, 但由于需要在高温下逐个温度点进行校准, 对标准器损耗大等因素, 校准成本较高。

方案三:应用一等铂铑30-铂铑6热电偶标准装置, 以之作为标准器, 采用双极比较法得出被校工业S型热电偶1100℃以上温度点的热电势值。此方法具有校准成本低, 工作量小, 满足国家量传体系的特点, 但校准结果的不确定度较大, 此方法适用于对热电偶检定准确度要求较低的场合。

针对以上三种方法, 分别对被校准工业S型热电偶 (编号分别为1#、2#) 进行1100, 1200, 1300, 1313, 1315, 1330, 1335℃的热电势值校准, 结果如图1、图2所示。

由图1~2可以看出, 以上三个方案得到的校准温度点修正值曲线的趋势基本一致, 说明这三种方案均可作为校准工业S型热电偶1100℃以上温度点热电势值的方法。所不同的是, 方案二和方案三的S型热电偶各温度点修正值较小, 而方案一的S型热电偶各温度点修正值略大。

由于校准结果的应用必须兼顾校准结果的不确定度, 因此对以上三个方案的校准结果进行不确定度评估[4], 其结果见表1。

由表1可以看出, 方案二的校准结果不确定度最小, 方案三的校准结果不确定度最大。校准方案的选取, 需要计量单位根据客户的需求进行科学合理的选择。

例如, 针对Ⅰ级工业S型热电偶, 当温度范围为1100~1600℃时, 最大允许误差为±[1+0.003 (t-1100) ], 方案一和方案二校准结果的不确定度均小于被校热电偶的最大允许误差, 可以从准确度和校准成本方面考虑选择方案一还是方案二。

而针对Ⅱ级工业S型热电偶, 当温度范围为 (600~1600) ℃时, 最大允许误差为±0.25%t, 三种方案校准结果的不确定度均小于被校热电偶的最大允许误差, 三个方案均可使用, 但推荐采用方案三。因为方案三是在实际温度点下校准的, 可以避免百度计算外推带来的风险。

由此可见, 在选择或制定S型热电偶高温校准方案前, 首先应该跟客户充分沟通, 了解客户的需求和被校热电偶的应用场合, 然后制定一个科学合理的校准方案, 使之既能满足使用需求, 又能降低校准成本。

本文就工业S型热电偶1100℃以上温度点如何进行校准的问题展开讨论, 提出三个解决方案, 通过对这三个方案校准结果的对比分析, 得出这三个方案校准结果具有一致性, 均可作为校准工业S型热电偶1100℃以上温度点的热电势值的方法。通过对三个方案的校准结果不确定度分析, 针对被校热电偶要求的最大允许误差及应用场合进行校准方案优化, 为相关计量部门针对客户不同需求制定科学合理的校准方案提供了理论指导, 具有实际应用价值。