1500~2300℃高温热电偶校准中关键影响因素分析

摘要:介绍了高温热电偶校准炉原理及其结构，对校准过程中钨管膨胀和石英窗口等关键影响因素进行了研究，并通过B偶、PtRh40-PtRh20、Ir40Rh-Ir、钨铼等高温热电偶进行了试验验证。实验结果表明高温热电偶校准炉重复性良好，可用于1500~2300℃氧化和还原气氛下各种高温热电偶的校准。
0引言
　　目前除了常用的八种国际标准化的热电偶外，在高温温度范围内钨铼热电偶以及一些非标准分度热电偶应用也越来越广泛，如PtRh40-PtRh20(1850℃)、铱铑系热电偶(2100℃)等。其中贵金属热电偶如铂铑系热电偶最高温度测量到2100℃，适用于氧化气氛;钨铼系热电偶短期内最高使用温度可达2800℃，在还原气氛下长期使用温度最高可达2300℃。
　　根据现有的温度量传体系，用标准B型热电偶作为标准器进行校准时最高校准温度为1500。在1500℃以上，需要使用标准光电高温计作为标准进行校准。ASTME452-02(2007)中推荐的高温热电偶校准炉采用钨管加热方式，钨管周围采用0.5mm厚的纯钨热辐射屏隔热，但钨带和隔热屏加工难度大，而且加热后钨材料变脆导致强度较差易坏，维修成本高，目前国内可以开展1500C以上高温热电偶校准的计量机构比较少。中航工业计量所采用石墨发热元件，研制了一种高温热电偶校准炉，可长期稳定使用，并可以通过调节保护气氛，对氧化气氛下的贵金属热电偶与还原气氛下的钨铼热电偶均可使用。
1高温热电偶校准装置及原理
　　整套装置示意图如图1(未包括数采部分)所示。其主体部分为高温炉，对于炉体从外到内依次为外壳、水冷层、屏蔽层、保温层、发热体和保护管，同时在炉体.上部以及下部都配有冷却水系统和抽真空系统。控温用光纤传感器置于炉体下端底部，光纤透过石英玻璃探测到炉体内热电偶保护管底部，得到控制温度，从而形成温度的一个闭环控制。数采部分主要通过采集软件对数据进行实时采集。
 
　　在校准时，以标准光电高温计为标准，通过炉体上的黑体辐射腔使光电高温计测量炉体中心区的温度，,黑体辐射腔的末端与被检热电偶的感温端在同一平面，二者温度值相同，利用比较法得到热电偶的示值误差。高温热电偶通过低热电势扫描开关连接到数字电压表进行测试，通过串口由上位机实时读取热电偶的电势值，同时上位机也采集光电高温计的实时标准温度，通过软件换算比对得到被检热电偶的示值误差或修正值。
2校准过程中的关键影响因素
　　在校准过程中，光电高温计对钨管温度的准确测量是至关重要的，其中钨管受热膨胀和石英窗口对光电高温计温度测量有很大影响。
2.1钨管热膨胀实验
　　由于炉体热源采用石墨加热方式，考虑到热电偶在高温下免受石墨发热体的污染，校准时需要选择特殊的保护管与高温炉炉体气氛隔离。同时考虑到不同热电偶在高温下适应不同环境气氛的要求，通过对各种非金属保护管和金属保护管的比较，对于PtRh40-PtRh20、Ir40Rh-Ir热电偶选择用氧化锆、氧化钍、金属铱等材料，对于钨铼热电偶选用钨管作为保护套管。钨管结构示意图如图2所示。
 
　　保护管通过固定法兰盘与炉体上端连接，热电偶从炉体上部项端插人到保护管内腔中，其中热电偶的测温头部插人到热电偶的测试腔内，使其测温点处在均匀温区内，光电高温计通过黑体辐射腔探测到热电偶测试腔内的温度。如果被测偶是IrRh-Ir等贵金属热电偶还需要在该钨管内部再套一层保护管，有效避免金属钨对贵金属热电偶的污染。
　　因为黑体辐射腔在低温下才能瞄准，高温下由于钨管受热膨胀向下伸长，导致温度测量不正确。由于无法知道钨在高温下准确的膨胀系数，因此进行了大量实验分析，推算出不同温度段钨管热膨胀位移量。实验过程中通过精密位移调节装置对光电高温计进行上下移动调节，确保光电高温计正确测量黑体辐射腔的温度。
 
　　具体方法如下:在炉中预先封装-支二等标准B型热电偶，在50℃，1100℃两个温度点确定50~1100℃黑体辐射腔位移，然后升温至1500℃，通过调节光电高温计上下位移，直至光电高温计与B型标准热电偶温度值相同为止，确定钨管热膨胀距离，测试数据见表1。
 
　　从表1可看出1100℃到1500℃升温过程中钨管膨胀约为0.8mm,通过二次曲线拟合得出各个温度点钨管膨胀距离。在校准过程中，即可通过该经验值在不同的温度下调节光电高温计使其对准。
2.2石英观察窗口镜片的修正
　　由于光电高温计在测试时通过石英玻璃窗口进行,为减小石英窗口对测量结果的影响，采用石英窗口与标准光电高温计整体标定的方法对其进行修正。校准前将石英玻璃随标准光电高温计送检，检定过程中应保证石英玻璃与标准温度灯的距离和高温热电偶校准炉窗口玻璃与黑体腔实际距离相等，标定观测窗口镜片时应标明方向，并按照此方向在高温热电偶校准炉上安装。
　　石英玻璃透过修正系数A值的判定尤为重要。首先用标准光电高温计分别测出标准温度灯(光电高温计向上潮源装置)在引人和不引人窗口玻璃情况下的亮温温度，测试温度点为1500~2300℃，共测试出9个值，分别经过计算，并以这9个A值的平均值作为该石英玻璃在1500~2300℃温度范围的透过率修正系.数。在使用时采用公式(1)进行修正。
 
 
　　式中:A为石英玻璃透过率;Tw为带玻璃窗口标准所测温度值,C;`e被为被校热电偶在校准温度点附近测得的热电动势算术平均值，mV;S敏为被校热电偶在校准温度点的微分热电动势，mV/℃;t被为校准温度点,℃;e分为被校热电偶分度表上查得的校准温度点的热电动势值，mV;△t_t为被校热电偶在校准温度点上的误差值,℃。
　　另外，由于炉体加热材料为石墨，升温过程中石墨材料挥发会对石英玻璃造成污染，为避免石英玻璃被炉内挥发物污染，在炉体上设有活门装置，使石英玻璃与其隔离，减少热辐射以及石英玻璃被污染几率，同时该活门装置也可减小漏热有利于炉体温场对称均匀，从而提高测量精度。
3高温校准实验验证
3.1B型偶、PtRh40-PtRh20在1500℃指标验证
　　将B型热电偶、铂铑40-铂铑20热电偶放置在B型炉中测试，以二等标准B型偶为标准，得到1300~1500℃范围段的电势值以及修正值。同样，将两种类型热电偶放在高温检定炉中校准，分别比较二支偶在1500℃下的差值，如表2所示。
 
　　高温热电偶校准炉在1500℃时评价校准不确定度u1为0.36%t,即5.4℃，B型炉评价校准不确定度u2为2.5℃，因此由表格数据分析知，两次测量结果差均小于√u1²+u2²，表明装置性能良好。
3.2IrRh40-Ir在B型炉与高温热电偶校准炉测试结果比较
　　将IrRh40-Ir热电偶在B型炉与高温热电偶校准炉中分别校准并计算其电势值。其中IrRh40-Ir热电偶在B型炉中测试温度点为700~1500℃，每隔100℃选取一点;在高温热电偶校准炉中测试温度点位1200,1300，1500，1700，1800，1900℃。测试数据见表3及表4。
 
　　将测试数据进行线性拟合分析，可以看出，两种分度方法拟合曲线基本吻合，在1000℃和2100℃时均相差0.06℃，线性度良好。
 
3.3WRe5/26热电偶重复性测试
　　试验所采用的两支WRe5/26偶丝来自同一型号、同批次，给出的最大允差为±1%t。实验前在真空手套箱内进行封装，绝缘材料为氧化镁，保护管为ψ6钨管。由于钨铼偶丝与水分在高温下容易发生化学反，应，且氧化镁经烧结后在室温下易吸收水分，为减小水分的影响，氧化镁材料使用前在200℃烘箱烘2h后密封保存。同时为避免测量端与钨管底部接触现象，在钨管内预先放置2mm氧化镁粉末，且氧化镁末端处理成豁口形式，如图5所示。其余实验条件相同，测试结果如表5所示。
 
　　测试结果表明，1500~2300℃所有测试点测量误差均在所测温度点1%范围内，满足热电偶丝的最大允差要求。同时发现在2000℃以上热电偶修正值出现拐点，分析可能存在的原因如下:其一，钨铼热电偶丝自身性质导致;其二，2000℃以上氧化镁保护管有杂质或者氧化镁材料绝缘性能变差，可以选用BeO,Y2O3等作为绝缘材料进一步验证。
4结论
1)在校准过程中，光电高温计对钨管温度的准确测量是至关重要的，其中钨管受热膨胀和石英窗口对光电高温计温度测量有很大影响。
2)通过对不同温度下钨管膨胀量的二次曲线拟合，可以预测出各个温度点钨管膨胀距离，在校准过程中参照膨胀距离调节光电高温计使其正确对准。
3)采用石英窗口和标准光电高温计一体式标定，并利用石英玻璃透过修正系数A值对石英窗口透过率进行修正，以减小石英窗口透过率的影响。
4)通过不同类型高温热电偶在高温区分度实验验证，表明表明该装置适用于高温热电偶的校准。高温热电偶校准炉既可用于氧化气氛下PtRh40-PtRh20、IrRh40-Ir热电偶的校准，又可用于还原气氛下钨铼热电偶的校准，满足1500~2300℃温度段高温热电偶的测量需求。