廉金屬熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范

摘要:JJF1637(“廉金屬熱電偶校準(zhǔn)”)將JJG351(“工作用廉金屬熱電偶檢定”)替換為JJF1637與規(guī)程相比，標(biāo)準(zhǔn)重新定義了可校準(zhǔn)對(duì)象的溫度和長(zhǎng)度，并進(jìn)一步精確了設(shè)備和其他設(shè)備使用，校準(zhǔn)方法發(fā)生變化，校準(zhǔn)結(jié)果的不確定性增加。本文對(duì)規(guī)程分析了以下方面的說(shuō)明，其中總結(jié)了主要更改和注意事項(xiàng)。比較了規(guī)范與規(guī)程，比較范圍、標(biāo)準(zhǔn)及其相關(guān)裝置、校準(zhǔn)方法、不確定性分析等變化，并對(duì)不確定性提出了不同的分析意見(jiàn)。
　　對(duì)于經(jīng)校準(zhǔn)的熱電偶允許長(zhǎng)度要求，不許超過(guò)500mm校準(zhǔn)長(zhǎng)度，可拆卸熱電偶(K,N,E,J)取代了舊的、新的活動(dòng)的(K,N,E,J)熱電偶，長(zhǎng)度小于750mm。當(dāng)前，低成本金屬熱電偶通用規(guī)范是1200C的通用溫度，它將K型和N型之間的熱電偶校準(zhǔn)限制降低到1200℃，符合等級(jí)規(guī)范。
1測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及配套設(shè)備
(1)標(biāo)準(zhǔn)器。要求規(guī)范和規(guī)程鉑銠10-鉑電阻熱電偶數(shù)保持不變，但從標(biāo)準(zhǔn)中去除(-30-300)℃兼容水銀溫度計(jì)范圍內(nèi)的測(cè)量值，只剩下鉑電阻溫度計(jì)。
(2)電測(cè)設(shè)備。規(guī)范還提高了電測(cè)儀器的指標(biāo)，廉金屬熱電偶使一級(jí)電測(cè)的精度提高到0.01以上，分辨率提高到0.1μV以上。此外，還給出了鉑電阻溫度計(jì)所使用標(biāo)準(zhǔn)電測(cè)量?jī)x表的明確指標(biāo)。
(3)恒溫設(shè)備。對(duì)于低于300℃的溫度，原規(guī)程提到一個(gè)恒溫油槽，要求工作區(qū)溫度差低于0.2℃。該規(guī)范允許在活動(dòng)工作區(qū)的任何兩個(gè)位置溫度差低于0.1℃。對(duì)于大于300C的恒定溫度，原規(guī)程要求管式爐最大均勻溫度場(chǎng)中心與爐體幾何中心沿軸線的偏差不得大于10mm;均勻溫度場(chǎng)的長(zhǎng)度不得小于60mm,14mm范圍內(nèi)的半徑，任意兩點(diǎn)之間的溫差低于1℃。該規(guī)范要求配備均溫塊，軸向有效工作區(qū)30mm內(nèi)，任何兩點(diǎn)溫差絕對(duì)值低于0.5℃;徑向大于14mm范圍內(nèi)的半徑，同截面任意兩點(diǎn)間的溫差低于0.25℃。
(4)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換。規(guī)程中寄生值必須小于1μV,該規(guī)范要求寄生值與各路寄生之間的差必須小于0.5μV。
(5)參考端恒溫器。基本溫度按照規(guī)范要求工作區(qū)溫度變化(0±0.1)℃,要求恒溫器深度至少200mm。
(6)補(bǔ)償導(dǎo)線。規(guī)范規(guī)定了溫度范圍(室溫70)C,允許偏差±0.2℃內(nèi)的補(bǔ)償。以前的規(guī)程里沒(méi)有這個(gè)。詳細(xì)比較指示符是先前規(guī)程中不存在的。詳細(xì)比較:標(biāo)準(zhǔn)零件，標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)低于300℃，鉑電阻溫度計(jì)300℃或更高，二等等級(jí)鉑銠10-鉑熱電偶、測(cè)量?jī)x、精度等級(jí)0.02或更高，分辨率最小值1μV,校準(zhǔn)1級(jí)偶:精度等級(jí)0.01或更高，最小分辨率0.1μV或更.高，校準(zhǔn)2級(jí)偶:精度等級(jí)大于0.02級(jí)。300C以下的.恒定油槽要求工作區(qū)溫度差小于0.2C,其中可檢測(cè)到的變化不超過(guò)±0.1℃.活動(dòng)工作區(qū)中任意兩點(diǎn)之間的溫度差低于0.1℃,校準(zhǔn)時(shí)溫度變化低于0.1℃/min.讀取前后溫度變化不得超過(guò)攝氏2度。300℃管道爐最:高均勻溫度場(chǎng)的中心和爐子幾何中心沿軸線偏移小于10mm的均勻溫度場(chǎng)長(zhǎng)度大于60mm,半徑小于14mm,以及小于1℃的任意兩點(diǎn)之間的溫差。溫度低于設(shè)定值士5℃，爐溫小于0.2℃/min，測(cè)量溫度變化低于士0.25℃。兩點(diǎn)溫度差的絕對(duì)值沿有效工作空間的軸小于0.5℃(軸向30mm)。半徑大于14mm時(shí)，同一截面兩點(diǎn)的絕對(duì)溫差為0.25C.測(cè)量點(diǎn)溫度低于±5℃,熔爐溫度變化低于0.2℃/min，測(cè)量點(diǎn)溫度變化低于0.5℃.熱電偶在爐中央放置高溫塊,在溫度為管式爐時(shí)配置恒溫塊，以確保管式爐加熱滿(mǎn)足要求。開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，低于1μV的寄生電勢(shì)，低于0.5μV的寄生及各.路寄生電勢(shì)電壓，工作基本溫度為(0±0.1)℃，工作環(huán)境溫度為(0±0.1℃)，深度超過(guò)200mm。
(7)校準(zhǔn)程序。本規(guī)范要求在校準(zhǔn)熱電偶測(cè)量的溫度范圍內(nèi)至少校準(zhǔn)三個(gè)溫度點(diǎn)。與原始方法不同，本規(guī)范建議，如果校準(zhǔn)熱電偶電極的信號(hào)輸出無(wú)法插入?yún)⒖级说暮銣仄?，則補(bǔ)償線(約500mm)的一端可以連接到恒溫器，另--端可以連接到銅線，并將其均勻地插入?yún)⒖级说暮銣仄髦小ｃ~恒溫器的標(biāo)準(zhǔn)端必須插入熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)端至少150mm。根據(jù)這種校準(zhǔn)方法,被校準(zhǔn)的熱電偶可以從750毫米減少到500毫米，這大大縮短了熱電偶的長(zhǎng)度。以前不適合恒溫器的熱電偶者已經(jīng)可以被校準(zhǔn)了。300℃以下規(guī)范使用鉑電阻溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)，因此本規(guī)范為熱電偶校準(zhǔn)提供了一種新的測(cè)量模型。測(cè)量方法和程序沒(méi)有顯著變化。應(yīng)采用比較法，循環(huán)測(cè)量不少于四次。如果原始工藝在每個(gè)溫度點(diǎn)校準(zhǔn)熱電偶，本規(guī)范要求恒溫裝置的技術(shù)規(guī)范。
(8)不確定性分析。校準(zhǔn)規(guī)范廉金屬熱電偶，一個(gè)例子是評(píng)估附錄JJF1637中熱力學(xué)電動(dòng)勢(shì)和溫度顯示偏差的測(cè)量不確定度。本規(guī)程用400C分析了二等標(biāo).準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶和300℃二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)校準(zhǔn)的熱電偶K型測(cè)量結(jié)果的不確定度。不確定性的主要來(lái)源是:反復(fù)引入的元件、電氣儀表、不均勻的溫度場(chǎng)和爐膛的溫度波動(dòng)。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)寄生電位、參考端子溫度和標(biāo)準(zhǔn)引入元件。此外，組件被認(rèn)為是相互獨(dú)立的。最后，擴(kuò)展不確定度的結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，在標(biāo)定溫度點(diǎn)測(cè)量結(jié)果的不確定度小于滿(mǎn)足要求的標(biāo)定熱電偶允許誤差的1.3。
 
(9)其他。對(duì)原規(guī)程所做的更改，并分析了這些更改的原因。在工作過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)指出，影響熱電偶測(cè)量的最重要因素是電測(cè)儀器的干擾和恒溫器溫度場(chǎng)的不規(guī)則性。因此，本規(guī)范的環(huán)境條件如下:電氣測(cè)量?jī)x器環(huán)境溫度和相對(duì)的空氣濕度必須符合要求;恒溫.器的工作環(huán)境不應(yīng)受到干擾或?qū)ν廨椛涓蓴_。由于補(bǔ)償線用作校正方法，管式加熱爐應(yīng)配備溫度補(bǔ)償塊。因此，在本說(shuō)明附錄c中增加了熱電偶補(bǔ)償線校準(zhǔn)方法，從原規(guī)范中刪除了管式加熱爐溫度場(chǎng)測(cè)試方法。由于主要國(guó)家測(cè)量機(jī)構(gòu)提供的鉑銠10-鉑熱電偶的電動(dòng)勢(shì)值是鋅、鋁和銅三個(gè)固體點(diǎn)的電動(dòng)勢(shì)值，因此從附錄D中刪除了初始規(guī)范和100%溫度計(jì)制備方法中的鋅、銻和銅固定點(diǎn)的電動(dòng)勢(shì)值以鋅、鋁和銅為例。
2恒溫設(shè)備技術(shù)要求發(fā)生了變化
　　根據(jù)JJG351對(duì)測(cè)量不確定性的影響評(píng)估了測(cè)量的不確定性。溫度場(chǎng)分布不均對(duì)測(cè)量影響最大。影響測(cè)量不確定性的比例排在第三位。必須改進(jìn)恒溫裝置的技術(shù)指標(biāo)。新標(biāo)準(zhǔn)要求校準(zhǔn)爐溫度場(chǎng)分布不均，并對(duì)測(cè)量產(chǎn)生重大影響。設(shè)置溫度補(bǔ)償塊。初始有效環(huán)境溫.度場(chǎng)指數(shù)不得大于1℃，軸向溫度場(chǎng)不得大于0.5℃,徑向溫度場(chǎng)不得大于0.25℃.因此,對(duì)測(cè)量不確定性的主要影響是校準(zhǔn)爐溫度場(chǎng)的熱傳導(dǎo)系數(shù)取決于空氣量和熱輻射。這兩種方法都對(duì)外部影響敏感，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)不均衡。經(jīng)過(guò)多年的熱電偶檢查，發(fā)現(xiàn)熱電偶檢直爐的溫度場(chǎng)不符合規(guī)定的技術(shù)要求，特別是在載荷條件下，溫度場(chǎng)的溫差是分裂型的。為確保校準(zhǔn)爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布均勻，需要研究穩(wěn)定溫度場(chǎng)的類(lèi)型和影響因素。在固定導(dǎo)熱系數(shù)中，導(dǎo)熱系數(shù)(或?qū)嵯禂?shù))決定物體內(nèi)部溫度的分布。金屬具有良好的導(dǎo)熱性，可在溫度場(chǎng)的均勻性方面發(fā)揮作用。校準(zhǔn)爐溫度補(bǔ)償塊解決了溫度補(bǔ)償塊的結(jié)構(gòu)問(wèn)題:閉合端、開(kāi)口端、插入熱電偶底座的開(kāi)口端、單端或多孔端.溫度補(bǔ)償塊通常放置在校準(zhǔn)爐的中心，允許偏差為10m，最終位置是校準(zhǔn)溫度場(chǎng)的位置.在運(yùn)行過(guò)程中，校準(zhǔn)室兩端采用高溫密封，以減少氣流。溫度補(bǔ)償塊使用金屬的熱傳導(dǎo)系數(shù)，在熱補(bǔ)償塊內(nèi)，在穩(wěn)定溫度控制下快速均勻地釋放熱量，使有效室溫在新規(guī)范的特定范圈內(nèi)保持恒定。因?yàn)榫鶞貕K選擇材料至關(guān)重要。從導(dǎo)熱系數(shù)開(kāi)始，不同金屬具有不同的導(dǎo)熱系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)越高，導(dǎo)熱性能越好。金屬加熱時(shí)，溫度會(huì)迅速面均勻地上升。熱演化迅速傳遞到整個(gè)金屬，容易平衡，溫度均勻，形成穩(wěn)定的空間。第二，熱電偶校準(zhǔn)時(shí)溫度將上升到1200℃.溫度越高，金屬和氧原子增大活力能力，氧化越快，阻力越小。膨脹性還應(yīng)考慮。隨著溫度的升高，大多數(shù)金屬的體積都在膨脹。生產(chǎn)最絡(luò)產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)考慮膨脹因素，以便與校準(zhǔn)爐良好地協(xié)調(diào)爐體，促進(jìn)溫度場(chǎng)的均勻性和穩(wěn)定性。1000℃以下的溫度場(chǎng)分布均勻，符合最新規(guī)范。當(dāng)溫度為100℃時(shí)，熱系數(shù)大于900℃的合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化不定，溫度場(chǎng)分布較差，因?yàn)镚H3030的熱系數(shù)可能達(dá)到900℃以上。導(dǎo)熱系數(shù)隨宏觀經(jīng)濟(jì)尺度的變化而變化。由于平衡塊的材料選擇正確，前后溫度場(chǎng)測(cè)量的溫差技術(shù)數(shù)據(jù)符合規(guī)范。
3增加了補(bǔ)償導(dǎo)線技術(shù)要求和補(bǔ)償導(dǎo)線的校準(zhǔn)方法
　　規(guī)范要求標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和被校準(zhǔn)熱電偶的參考端為0℃.如果熱電偶的參考端不是0℃,則應(yīng)使用參考熱電偶或溫度補(bǔ)償端熱電偶的溫度測(cè)量環(huán)境溫度。原因是熱電偶參考端的溫度不同與相鄰環(huán)境溫度。校準(zhǔn)的短熱電偶和厚熱電偶影響極端熱傳導(dǎo)。參考溫度高于相鄰環(huán)境溫度。這允許使用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)或溫度傳感器來(lái)測(cè)量環(huán)境中的環(huán)境溫度，該環(huán)境不能真正反映熱電偶的參考溫度。此外，熱電偶的參考溫度隨爐溫變化。因?yàn)槭褂猛粎⒖级俗訉?duì)多個(gè)熱電偶進(jìn)行補(bǔ)償是不合理的，因此新規(guī)范包含了補(bǔ)償線連接的具體要求。補(bǔ)償線的輸入分量為11.25μV,沖擊的重力最大。補(bǔ)償線滿(mǎn)足從室溫到70℃的±0.2℃的允許偏差。如果補(bǔ)償線為K分度30℃，誤差為±8.45μV，半寬為8.45μV,分布均勻,標(biāo)準(zhǔn)不確定度為8.45/3=4.88μV,對(duì)技術(shù)指標(biāo)和校準(zhǔn)水平有嚴(yán)格要求。在一定溫度范圍內(nèi)，廉價(jià)的金屬導(dǎo)體與連接的熱電偶具有相同的熱電性能，稱(chēng)為熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)體。符合要求的平衡線在使用前必須仔細(xì)過(guò)濾。當(dāng)然,有必要測(cè)量和校準(zhǔn)補(bǔ)償線。熱電偶焊接的測(cè)量端必須牢固、光滑，無(wú)污染、變質(zhì)、裂紋、氣孔、飛灰等，以最大限度地減小焊縫尺寸和傳熱誤差。通常是熱電偶螺紋直徑的兩倍。
4電測(cè)儀表準(zhǔn)確度等級(jí)與被校熱電偶的準(zhǔn)確度等級(jí)對(duì)應(yīng)起來(lái)
　　可使用《廉金屬熱電偶檢定規(guī)程》(JJG351)中規(guī)定的0.02級(jí)電測(cè)量?jī)x表和電測(cè)量?jī)x表的不確定度分量，對(duì)各種廉金屬熱電偶進(jìn)行檢定。0.02級(jí)為2.29μV,為了根據(jù)新規(guī)范的技術(shù)要求提高電測(cè)量?jī)x器的精度,0.02級(jí)電測(cè)量?jī)x器只能校準(zhǔn)II級(jí)廉金屬熱電偶。0.01級(jí)電測(cè)量?jī)x器只能校準(zhǔn)所有質(zhì)量的廉金屬熱電偶，不確定度分量為0.29μV。新的技術(shù)規(guī)格對(duì)電氣測(cè)量?jī)x器提出了更高的要求。電氣測(cè)量?jī)x器的選擇基于精度水平，測(cè)量結(jié)果的不確定度以最大允許誤差為例進(jìn)行評(píng)估。兩者之間的關(guān)系尚不清楚。JJF1262鎧裝熱電偶檢定控制和JJG141貴金屬熱電偶檢定控制是指電測(cè)量?jī)x表的精度水平。這些文件都沒(méi)有直接解釋具體準(zhǔn)確性的重要性。技術(shù)人員長(zhǎng)期以來(lái)一直模棱兩可，需要從技術(shù)角度進(jìn)行測(cè)量和評(píng)估。本文闡述了準(zhǔn)確度的重要性和來(lái)源，并討論了如何根據(jù)該指標(biāo)選擇電氣測(cè)量?jī)x器。
概括地說(shuō)，由廉金屬熱電偶的校準(zhǔn)可以說(shuō)是邏輯的、概念性的、配套設(shè)備詳細(xì)更好的校準(zhǔn)。當(dāng)前，熱電動(dòng)勢(shì)值是科學(xué)的。值得一提的是，當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在相同的條件下同時(shí)測(cè)量同一臺(tái)機(jī)器上的標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)測(cè)熱能量值，從而在校正時(shí)考慮到熱電勢(shì)標(biāo)準(zhǔn)值和被檢偶熱電勢(shì)值之間的相關(guān)性。