液槽中测试热电偶不均匀性方法

摘要:介绍了通过测量热电偶在液体槽中250℃时的浸没实验特性评价热电偶均匀性的方法。构建的实验装置在液槽上的一个狭小的空间内可产生较大的温度梯度场,热电偶电极通过该梯度场进行扫描得到了在不同位置的热电势值。对--组新制和使用一段时间的铂铑10铂热电偶进行测试，发现实验数据具有较好的重复性,新制作的热电偶热电势的均匀性明显优于使用一段时间的热电偶。
1前言
       在使用热电偶测量温度时,通常认为热电偶示值温度就是被测对象的温度,而忽略了热电偶温度计本身的热电不均匀性带来的影响。热电偶电极的不均匀使得热电偶测量的热电势不仅仅是测量端温度的函数,而且其测量的热电势还与热电偶电极所在区域的温度分布有关。热电偶的不均匀性反映了其输出的热电势与两端之间温度分布的相关程度，其本质是反映热电偶的热电微元的热电特性的-致程度。在热电偶的检定、校准过程中,其不均匀性是测量不确定度的一一个主要分量.
       测量热电偶不均匀性的方法通常归类为3种|[3]:单边炉法、浸没特性法和比较同批次热电偶差异法。3种方法各有优缺点，目前国外计量实验室对热电偶不均匀性的评估已经是热电偶校准的必测项目,尽管采用的测量方法各异,但大多数实验室均在报告中给出了测量的不确定度分量,而这一工作目前在我国尚属空白。本文介绍了中国计量科学研究院建立的一套在液槽中通过测量热电偶均匀性的浸没实验装置,对标准铂铑10铂热电偶进行测量,通过实验探讨测量热电偶均匀性的方法。
2热电不均匀性原理.
       热电偶由2个金属电极A和B构成,当热电偶的测量端的温度为t,其参考端的温度为to时,其热电势EAB为

由上式可以看出,热电偶输出的热电势EAB:仅与t0和t有关。这是热电偶测温的基本原理。通常测温时假设热电偶处于理想状态,即热电偶热电势率特性不变。
影响热电偶热电势率S的主要因素是热电偶电极的金属材料成分,以及电极所受到的机械应力4。通常电极在生产加工过程中其金属合金成分难以均匀;在使用过程中电极处于温度梯度场中，在不同的温度下热电极材料成分的变化率不同,随着使用时间的积累,其不均匀性逐渐显现;使用中冷热循环会造成电极金属结构的变化,由此产生的机械应力也会产生影响。
当沿电极长度方向的热电势率Si(t)存在差别，在温度梯度作用下赛贝克系数沿电极的这一变化会导致热电势EAB产生偏差。可以说,在沿热电偶长度x方向赛贝克系数可表示为SAB(x,t),则

       由上式可以看出,当温度从to到t1时,沿热电极长度l产生的热电势为温度梯度和赛贝克系数共同作用的结果。
       对于用合金材料电极构成的热电偶，难以避免受不均匀性的影响。本文选择测量的铂铑1o铂热电偶,其正极为铂铑合金,负极为纯铂。铂和铑金属材料具有较好的热稳定性,但热电不均匀性使得它的测量精度难以超过0.2℃。当铂铑1铂在高温中使用时,铂铑合金中铑在高温中首先选择氧化,氧化铑在高温中挥发较快,因此处在高温部分的热电偶铂铑电极中铑的含量会持续下降,而处在低温中铂铑电极中的铑没有变化。造成了整个热电偶电极中金属含量的不均匀,也就形成了赛贝克系数特性的不一致。在实际使用中铂铑热电偶的热电势随着使用年限逐渐降低,此为金属材料成分变化的原因。
3实验装置
       本文所用的实验方法为在250℃油槽中通过测量热电偶的浸没实验来对热电偶的均匀性进行评估。装置结构见图1。其工作原理是当热电偶在通过小空间大温差扫描时,测量其热电势,通过比较各点热电势的大小来确定热电偶不均匀性的位置和大小。

       装置中热电偶输出的热电势由三段热电势构成。冰点到水冷盘附近的空气段,其温差大约为20℃;油面到水冷盘附近的空气段,其温差约为230℃;热电偶浸入油槽段,由于油槽具有良好的温度均匀性,温差较小,因此，此段产生热电势可以忽略不计。综上所述,液面到水冷盘附近的空气段为热电势的主要来源。为了能够确定热电势不均匀性的位置和大小，温差需要在尽可能小的空间产生,即液面到冷却盘的距离尽可能小。水冷盘装置固定在液体槽上方,通过冷却水和冷却气的共同作用,将油槽液面上部的1~1.5cm空间迅速冷却,即在窄小的空间产生-一个较大的温度梯度
       测量过程中热电偶插入测量管中，测量管长550mm,直径φ5mm,一端封头材料为不锈钢。测量管被安装在升降架上,通过冷却装置上的配合孔插人油槽中,测量油槽温度波动的Pt100铂电阻温度计-并安装在升降架上。热电偶的参考端放人冰点瓶保持0℃。测量前将油槽设定并恒温在250℃,启动外置水冷循环机和开启外接冷却用氮气,将冷却盘恒温在10℃左右。当系统平衡后,启动伺服电机带动升降架按照-定的速度移动热电偶测量管，以实现热电偶的插人或从油槽中抽出,完成对热电偶不均匀性的扫描。升降架的行程为50.cm,在对热电偶的测试中实际升降速度设定为0.0156mm/s。
热电偶输出的热电势测量使用KEITHLEY2182数字纳伏电压表,Pt100热电阻的测量是通过Agilent3458A八位半数字多用表实现。2台测量设备将测量信号通过GPIB接口送到计算机中进行显示、保存和处理。
4实验结果
       理想的液槽内的温度是稳定和均匀的。使用前按照JJF1030-2010恒温槽技术性能测试规范中推荐的方法对液槽在250℃时进行了均匀性和稳定性测试。结果表明在槽内直径为φ20cm、高40cm的圆柱体空间中，上、中、下水平温场和垂直温场均在±0.01℃以内。温度的稳定性达到+0.02℃/20min。实际应用中发现由于进行1次测量的时间较长(约为6h)，槽温的波动往往会超过+0.02℃。而槽温的漂移会影响测量结果,因此需考虑对温度漂移进行修正。
       实验时热电偶和Pt100铂电阻温度计均固定在支架上浸没在恒温槽中。温度测量几乎在同一时间,由于铂电阻感温元件和热电偶测量端位于同一高度,且位置较靠近,可认为它们的温度相同。图2为铂电阻和热电偶测量液槽温度实验结果，由图2可以看出,两者的相位几乎相同,变化幅度也几乎一样。将热电偶测量值中减去电阻温度计的测量值则可以消除温槽波动的影响,得到的结果即为热电偶在恒温条件下的浸没实验特性。

       图3为将热电偶从上端插人液槽的测量结果。0cm的位置是液面，液面以上2cm由于冷却盘的作用温度为20℃,进人液面温度达到250℃。此区间的平均温度梯度约115℃/cm。对图3放大发.现,大约在液面下15cm后温度不再单调上升,基本稳定,即对热电偶不均匀测量是从距离测量端15cm处开始的。即对一-支可以全部浸没到恒槽的热电偶,其不均匀性的测量范围是从距测量端15cm开始到40cm,长度为25cm的范围。理论均匀的热电偶在该范围内移动，其热电势应该为恒定的,热电势的变化反映的就是热电偶的不均匀性,由图3可以看出，不均匀区域为液面上0~2cm处。

       实验在相同条件下对4支标准铂铑1铂热电偶进行测试。其中编号为#001的热电偶是用于检定工作已2年的热电偶，编号为S109001~S109003的热电偶为来源于同-轴丝材的新制作的热电偶。
       图4为对#001热电偶进行测量的结果。图中曲线1为热电偶插入过程的热电势测量曲线，曲线2为抽出过程的热电势测量曲线。由图中可以看出2次测量的曲线形状和大小较为接近,因此可以说明测量装置具有较好的重复性。同时由图中还可以看到在距热电偶测量端15~40cm区间的热电势变化约为0.6μV,折算成温度为0.07℃。热电势变化较大的范围在15~30cm区间,其中在25~30cm段的热电势变化剧烈，即热电偶在该区间的均匀性较差。对于该测量结果,作者认为这是由于热电偶长期在检定炉中使用造成的。检定炉插入深度为30cm左右，经常使用的最高温度为1100℃,位置在检定炉中心,根据对检定炉温场的测试结果,在接近炉口(25~30cm)时的温度约为300℃,长期在该温度下铂会形成氧化物,这些物质可能对热电偶均匀性影响较大[6]。而在插人深度35~40cm区间,热电势变化较小，均匀性良好，说明这支热电偶在实际使用中,该区域长期工作在检定炉外,未受到热循环与材料污染,故均匀性良好。