热电偶按结构类型分类, 可分为装配式热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶及各种专用热电偶。装配式热电偶通常由热电极、绝缘材料、保护管和接线盒等部分组成。铠装热电偶由热电极、绝缘材料和金属套管组合在一起, 并经拉伸而成的组合式热电偶。与装配式热电偶相比, 铠装热电偶热惯性小, 响应速度快;体积小, 热容量小;可挠性好;机械性能、耐介质化学腐蚀性能好。

在JJF 1262-2010《铠装热电偶校准规范》[1]公布实施之前, 并没有专门针对铠装热电偶的特殊性能实施的规程或规范。因此, 一般都参照JJG351-1996《工作用廉金属热电偶检定规程》[2]进行校准, 即将铠装热电偶与传统装配式热电偶一样, 捆扎成束放入检定炉中校准。因为外壳是金属材料的铠装热电偶, 在被捆扎成束放入炉内后, 从测量端区沿着电缆导热较大, 而且, 炉内还存在热对流与热辐射等, 导致温场变化, 使热电偶束受热不均匀, 最终导致测量结果分散性较大。根据JJF 1262-2010校准300℃以上铠装廉金属热电偶时, 在管式炉中配置带插孔的均温块, 提供恒定的均匀温场;在卧式检定炉内放置均温块后, 炉中心为金属, 没有空气对流, 传热方式以导热为主, 温度波动小, 故温场比较稳定[3,4]。

为了验证两种方法在300℃以上对铠装廉金属热电偶测量结果的影响, 进行比较试验。

1) 标准器:一等标准铂铑10-铂热电偶。

2) 电测设备:数字多用表KIETHLY 2010, 最大允许误差± (0.003 7%读数+0.000 9%量程) 。

3) 恒温设备:热电偶检定炉PWKJ-100M。

放置均温块前, 轴向均匀温度场140 mm任意两点间温差≤1℃;径向温度场任意两点间温差≤0.2℃。

放置均温块后, 孔底起算, 轴向30 mm内温差0.3℃;孔底部同一截面任意孔间温差绝对值0.12℃。

4) 扫描开关:WJ-3H, 寄生电势≤0.2μV

5) 被检:8支铠装K型热电偶 (带补偿导线)

将一等标准铂铑10-铂热电偶套上高铝保护管, 与被检铠装K型廉金属热电偶用细镍铬丝捆扎成圆形一束, 被检热电偶测量端围绕标准热电偶测量端均匀分布一周, 并确保处于垂直标准热电偶同一截面上。然后将捆扎成束的热电偶插入检定炉中间位置, 深度约300 mm。标准热电偶的参考端与铜导线连接后放入冰瓶, 铜导线另一端连接转换开关。被检铠装热电偶的补偿导线与铜导线连接后放入冰瓶, 铜导线另一端同样连接转换开关。然后开启自动测试软件, 当温度符合要求时进行测量。每支热电偶进行4次读数, 取4次读数的平均值。每次独立实验完成后, 检定炉冷却至室温, 取出所有热电偶重新捆扎后再进行实验。实验测试2个温度点, 分别为400℃与1 000℃, 结果如表1、表2所示。

与1.2.1方法在同一实验室环境条件下, 采用了同一套实验装置。区别在于热电偶检定炉中放置了插孔均温块, 均温块的几何中心放置于检定炉的均匀温度场中心。然后将标准热电偶同样套上高铝保护管, 与被检铠装热电偶分别插入均温块至孔底, 并确保不会弹出。其他测量方法同1.2.1。实验测试两个温度点, 分别为400℃与1 000℃, 结果如表3、表4所示。

由图1、图2可见, 未放置插孔均温块的实验标准差最大值为1.3℃, 最小为0.1℃;放置插孔均温块的实验标准差最大值为0.4℃, 最小为0.1℃。后者的标准差多数较前者小, 且较为稳定。评估两种方法的测量不确定度, 400℃时U=1.5℃ (k=2) , 1 000℃时U=1.2℃ (k=2) ;放置插孔均温块400℃与1 000℃时U=0.6℃ (k=2) , 较未放置插孔均温块小了近1倍, 并小于允差绝对值的1/3。

通过比较实验, 插孔均温块对铠装廉金属热电偶的测量结果有大幅度的改善, 复现性更佳, 不确定度更小。可见, 依据JJF 1262-2010对铠装廉金属热电偶进行校准, 在管式炉中配置带插孔的均温块, 能够提供恒定的均匀温场, 温度波动小, 温场比较稳定。实验结果更为准确、可靠。