連續(xù)熱電偶也稱為尋熱式熱電偶，是基于塞貝克熱電效應(yīng)制成的一種新型溫度傳感器(如圖1)。連續(xù)熱電偶的特點(diǎn)是無(wú)固定測(cè)量端，通過(guò)鎧裝工藝將熱敏材料填充在金屬套管內(nèi)，與鎳鉻-鎳硅型(分度號(hào)K)熱電偶絲材結(jié)合在一起。在一定的溫度范圍內(nèi)，可以連續(xù)產(chǎn)生與其所接觸范圍內(nèi)最高溫度相對(duì)應(yīng)的熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，通過(guò)函數(shù)關(guān)系計(jì)算得到其沿線的最高溫度值。其測(cè)量范圍一般為80～880℃，制造長(zhǎng)度可以達(dá)到2～40m，因其“線狀”測(cè)量形式，可以節(jié)約大量的溫度傳感器和電測(cè)設(shè)備。應(yīng)用于化工、機(jī)械、能源、倉(cāng)儲(chǔ)等大面積、大范圍、大空間場(chǎng)所以及危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)發(fā)熱或超溫現(xiàn)象的檢測(cè)、預(yù)警等。



圖1 連續(xù)熱電偶實(shí)物

連續(xù)熱電偶制造絲材一般選擇鎳鉻-鎳硅作為正負(fù)極(分度號(hào)K)，理論上其熱電勢(shì)-溫度曲線應(yīng)與傳統(tǒng)的K型熱電偶相近。但因其使用熱敏材料作為絕緣材料并且沒(méi)有固定測(cè)量端的特點(diǎn)，可能產(chǎn)生分流電勢(shì)，導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量時(shí)連續(xù)熱電偶示值偏差可能較低，所以通過(guò)對(duì)其示值偏差和均勻性的校準(zhǔn)以及不確定度評(píng)定，可以了解和掌握連續(xù)熱電偶的計(jì)量特性，方便使用人員和研究人員修正。
 

1、連續(xù)熱電偶結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理
連續(xù)熱電偶主要由金屬套管、熱敏材料、熱電偶絲、補(bǔ)償導(dǎo)線和接插件等部分組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。連續(xù)熱電偶通過(guò)拔絲工藝制成鎧裝熱電偶，鎧裝型式可以保證熱電偶的彎曲型，最小彎曲半徑為50mm，方便安裝使用。最外層的金屬套管一般由Inconel 600合金制成，對(duì)熱電偶絲材起到保護(hù)作用，其長(zhǎng)期使用溫度可以達(dá)到1100℃，滿足測(cè)量需要。熱敏材料為NTC熱敏材料，作為絕緣材料填充到金屬套管內(nèi)。
 

 
圖2 連續(xù)熱電偶結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)的熱電偶不同，連續(xù)熱電偶沒(méi)有固定的測(cè)量端。當(dāng)熱電偶沿線某點(diǎn)A的溫度T1超過(guò)其他部分的溫度時(shí)，該點(diǎn)兩個(gè)熱電極之間的熱敏材料電阻降低，從而在A點(diǎn)形成一個(gè)臨時(shí)的測(cè)量端，如圖3所示。當(dāng)熱電偶沿線出現(xiàn)另一個(gè)點(diǎn)B時(shí)，其溫度為T(mén)2，當(dāng)T2>T1時(shí)，則B點(diǎn)形成新的臨時(shí)測(cè)量端。


圖3 連續(xù)熱電偶測(cè)量原理

由于連續(xù)熱電偶沒(méi)有固定測(cè)量端，則受測(cè)量環(huán)境影響的鎧裝沿線皆可為測(cè)量端，且測(cè)量端總是出現(xiàn)在鎧裝沿線的最高溫度點(diǎn)處。

2、測(cè)量方法
根據(jù)JJF1631-2017《連續(xù)熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范》，連續(xù)熱電偶的校準(zhǔn)側(cè)重于熱電特性的測(cè)量，一般包括：示值偏差和測(cè)量均勻性兩項(xiàng)。校準(zhǔn)所使用的標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備如表1所示。

表1 檢定連續(xù)熱電偶所需標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備



2.1 示值偏差
熱電偶示值偏差的校準(zhǔn)可以考查熱電偶示值偏離分度表的程度。將連續(xù)熱電偶繞成圈材整體放入恒溫設(shè)備中，恒溫設(shè)備根據(jù)校準(zhǔn)溫度一般使用恒溫箱或箱式電阻爐。整個(gè)圈材置于恒溫設(shè)備有效工作區(qū)域的最高均勻溫場(chǎng)中心，端部露出部分不超過(guò)其總長(zhǎng)的1/4。測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)一般為標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)或標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，將測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)放置在圈材的中心處，被測(cè)和標(biāo)準(zhǔn)器的接線方法如圖4所示。
 

 
圖4 示值偏差校準(zhǔn)接線

恒溫設(shè)備達(dá)到設(shè)定溫度后，穩(wěn)定至少10min，當(dāng)溫場(chǎng)的實(shí)際溫度偏離校準(zhǔn)溫度不超過(guò)±5℃且溫度變化不超過(guò)1℃/min時(shí)，按照標(biāo)準(zhǔn)-被測(cè)-被測(cè)-標(biāo)準(zhǔn)的順序讀取示值，每支熱電偶讀取四次。

2.2 均勻性
連續(xù)熱電偶均勻性的校準(zhǔn)可以考查鎧裝沿線各位置點(diǎn)產(chǎn)生臨時(shí)測(cè)量端示值的差異。一般在300℃時(shí)進(jìn)行，校準(zhǔn)位置選擇在鎧裝沿線的前、中、后段均勻分布的a、b、c三個(gè)點(diǎn)，如圖5所示。a點(diǎn)和c點(diǎn)距離接插端部50 cm,b點(diǎn)與a點(diǎn)和c點(diǎn)的距離大于等于1m。



圖5 連續(xù)熱電偶均勻性校準(zhǔn)位置點(diǎn)的選取

將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測(cè)量端和連續(xù)熱電偶第一個(gè)校準(zhǔn)位置a點(diǎn)靠攏，放置在熱電偶測(cè)量爐最高均勻溫場(chǎng)中心位置。將熱電偶測(cè)量爐溫度設(shè)定為300℃，達(dá)到設(shè)定溫度后穩(wěn)定至少10min。當(dāng)溫場(chǎng)的實(shí)際溫度偏離校準(zhǔn)溫度不超過(guò)±5℃且溫度變化不超過(guò)1℃/min時(shí)，按照標(biāo)準(zhǔn)-被測(cè)-被測(cè)-標(biāo)準(zhǔn)的順序讀取示值，每支熱電偶讀取四次。接線方法如圖6所示。測(cè)量完一個(gè)位置點(diǎn)，緩慢平移熱電偶，使其下一個(gè)位置點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測(cè)量端靠攏，完成其他位置點(diǎn)的測(cè)量。



圖6 連續(xù)熱電偶均勻性校準(zhǔn)接線

3、設(shè)備研制
為了提高傳統(tǒng)測(cè)量爐的溫場(chǎng)均勻性，在傳統(tǒng)測(cè)量爐的基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)四溫區(qū)測(cè)量爐，包括爐體、溫控器、滑輪和軌道標(biāo)尺、基座。外部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7，內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。包覆熱源外管的保溫材料選用氧化鋁纖維及氧化鋯纖維制成的高鋁氈，高鋁氈的外部使用導(dǎo)熱率小一個(gè)數(shù)量級(jí)的佑熱高溫材料。佑熱高溫材料之外使用金屬圓筒狀內(nèi)殼進(jìn)行固定，內(nèi)殼之外通過(guò)一定的空氣間隙包覆外殼。底座上安裝觸摸屏，作為熱源的控制臺(tái)，底座內(nèi)安裝可控制電氣和四回路溫度調(diào)節(jié)器。底座具有滑軌與爐體安裝在基座上，基座具有長(zhǎng)度分度標(biāo)尺，可以準(zhǔn)確調(diào)節(jié)軸向位置。



圖7 四溫區(qū)測(cè)量爐外部結(jié)構(gòu)

內(nèi)部沿用管式熱電偶測(cè)量爐的基本結(jié)構(gòu)，爐體長(zhǎng)度約為600mm。以95剛玉作為爐外管，以99剛玉材料作為爐內(nèi)管，內(nèi)徑φ60mm，外徑φ70mm，長(zhǎng)度615mm。溫度上限可達(dá)1700℃，在常用的工作區(qū)間(1200℃以下)具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，不會(huì)產(chǎn)生變形。加熱絲采用φ1.5mm的鐵鉻鋁電加熱絲，沿爐管外壁分段、均勻繞制。各溫區(qū)均有獨(dú)立的供電控制模塊，可獨(dú)立實(shí)施功率控制。各溫區(qū)供電電源均采用直流穩(wěn)壓電源，功率調(diào)節(jié)采用直流固態(tài)繼電器，調(diào)功控制端施加占空比可控的PWM信號(hào)(PWM周期約1s)，使各溫區(qū)的加熱功率均可從最大功率的0.0～100.0%之間無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。



圖8 四溫區(qū)測(cè)量爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)

爐體內(nèi)置四支S型控溫?zé)犭娕?，其外層保護(hù)管位于爐管外壁與加熱絲之間，沿爐管外壁向爐內(nèi)延伸，控溫偶測(cè)量端位于相應(yīng)溫區(qū)的軸向幾何中心。

根據(jù)測(cè)量爐結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)置三種溫場(chǎng)模式。寬溫場(chǎng)模式和中心溫場(chǎng)模式關(guān)系相近，但參數(shù)不同，達(dá)到的溫場(chǎng)效果也不同，兩種模式設(shè)定的各溫區(qū)的關(guān)系和作用見(jiàn)表2。

表2 寬溫場(chǎng)和中心溫場(chǎng)模式



左側(cè)溫場(chǎng)模式設(shè)定下各溫區(qū)的關(guān)系和作用見(jiàn)表3。

表3 左側(cè)溫場(chǎng)模式



測(cè)量爐的主溫區(qū)設(shè)定為“2#溫區(qū)”，由溫控器的主通道負(fù)責(zé)溫度調(diào)節(jié)，構(gòu)成的調(diào)節(jié)閉環(huán)稱為主調(diào)節(jié)回路。其他為輔助溫區(qū)，由溫控器的輔助通道負(fù)責(zé)溫度調(diào)節(jié)，構(gòu)成的調(diào)節(jié)閉環(huán)稱為輔助調(diào)節(jié)回路。測(cè)量爐的主溫區(qū)參數(shù)確定后，各輔助回路是以“跟蹤”方式進(jìn)行與主回路相關(guān)聯(lián)的溫度調(diào)節(jié)。

4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
選取六支鎧裝連續(xù)熱電偶，測(cè)量范圍：300～600℃；規(guī)格：L=5000mm、φ3mm；編號(hào)為1#～6#。對(duì)其在300℃、400℃和600℃進(jìn)行示值偏差的校準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)式(1)和式(2)計(jì)算，其結(jié)果見(jiàn)表4。均勻性校準(zhǔn)結(jié)果見(jiàn)表5。





式中：?Et為連續(xù)熱電偶在校準(zhǔn)溫度點(diǎn)處的熱電勢(shì)對(duì)比分度表的偏差，mV；和為連續(xù)熱電偶和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在實(shí)際校準(zhǔn)溫度下測(cè)得的熱電勢(shì)平均值，mV；為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶證書(shū)值得到的某溫度點(diǎn)的熱電勢(shì)值，mV；S被和S*為在分度表中查得的連續(xù)熱電偶和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在校準(zhǔn)溫度點(diǎn)的微分熱電勢(shì)值，mV/℃；E分為在分度表中查得的連續(xù)熱電偶在校準(zhǔn)溫度點(diǎn)處的熱電勢(shì)值，mV；?t為連續(xù)熱電偶在校準(zhǔn)溫度點(diǎn)處的溫度示值偏差，℃。

表4 示值偏差實(shí)驗(yàn)結(jié)果



表5 均勻性實(shí)驗(yàn)結(jié)果



六支熱電偶示值偏差和均勻性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別在各校準(zhǔn)溫度點(diǎn)上取其平均值，由平均值可以得出，連續(xù)熱電偶的示值偏差和均勻性隨著測(cè)量溫度的升高而增大。300～600℃的示值偏差平均值為-27.51℃，根據(jù)誤差理論其修正值為+28℃。

5、不確定度評(píng)定
測(cè)量不確定度可以表征被測(cè)量值的分散性，通過(guò)GUM法對(duì)連續(xù)熱電偶測(cè)量范圍進(jìn)行不確定度分析和評(píng)定，得到測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度。

5.1 示值偏差校準(zhǔn)不確定度
以800℃為例，對(duì)式(1)各輸入量進(jìn)行不確定度分析評(píng)定，得出示值偏差校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總表，如表6所示。

表6 示值偏差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總



由于各分量之間相互獨(dú)立，因此，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：



800℃連續(xù)熱電偶示值偏差的擴(kuò)展不確定度：

連續(xù)熱電偶其他各校準(zhǔn)溫度點(diǎn)示值偏差的擴(kuò)展不確定度如表7所示。

表7 示值偏差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總



5.2 均勻性校準(zhǔn)不確定度

   -------公式(3)

公式(3)中：δt為連續(xù)熱電偶在校準(zhǔn)溫度點(diǎn)處的均勻性，℃；?tmax、?tmin為連續(xù)熱電偶三個(gè)位置點(diǎn)的溫度示值偏差中的最大值、最小值，℃
由式(2)和式(3)可知，?tmax和?tmin的各不確定度分量來(lái)源與示值偏差相同，所以標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量和合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度省略。

300℃連續(xù)熱電偶均勻性的擴(kuò)展不確定度：U'=111.62μV，相當(dāng)于2.7℃。

6、結(jié)語(yǔ)
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，連續(xù)熱電偶在300℃以上的高溫段示值偏差較大，隨著測(cè)量溫度的升高逐漸增大。K型熱電偶的分度表整體偏移，可以在使用時(shí)根據(jù)測(cè)量溫度在溫度二次儀表進(jìn)行修正，整體修正值為+28℃。也可更加細(xì)化地按照實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)整百度的適用范圍進(jìn)行分別修正。連續(xù)熱電偶的均勻性為5～8℃不等，又因?yàn)榫鶆蛐缘臄U(kuò)展不確定度為2.7℃，所以可以在使用前挑選均勻性不大于10℃的連續(xù)熱電偶優(yōu)先使用。在不確定度的分析中，熱源的溫場(chǎng)均勻性是連續(xù)熱電偶校準(zhǔn)結(jié)果分散性最大的影響因素，未來(lái)可以研制均勻性更佳的熱源降低擴(kuò)展不確定度。

作者：天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院 王喆、王曉丹、余松林

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