标准热电偶封头材料对检定结果影响的分析

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇标准热电偶封头材料对检定结果影响的分析范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：随着国内工业产品的国际化，国家对产品认证体系越来越严格，同时各大企业对产品质量的要求越来越高。热工仪表检定作为计量体系的重要组成部分，体现着越来越重要的作用。目前，国内对于热电偶的检定主要遵守热电偶检定规程；但对于检定过程中对标准热电偶采用何种封头套管没有做有关的规定。本人在从事热电偶检定过程中，发现采用不同的封头套管对于检定结果会产生一定的影响。本文从标准热电偶封头选用材料的原理出发，利用实验对产生的影响进行分析，并比较选用不同材料的热电偶检定方法的优劣。

关键字：热电偶；检定方法；封头套管；材料

中图分类号：O472 文献标识码： A

随着国内工业产品的国际化，国家对产品认证体系也越来越严格，各大企业对产品质量的要求越来越高。尤其在机械行业，计量体系在质量体系中有着举足轻重的作用。本厂自建厂以来，主要从事压力容器的生产制造，对国民经济建设产生着重要的贡献。目前，本厂热处理测温元件主要是热电偶；对于热电偶的检定遵从热电偶检定规程。依照本人从事热电偶检定的工作经验，发现对标准热电偶的封头套管采用不同的材料，会对热电偶检定结果产生一定的影响。现国内标准偶封头套管主要是石英管和高铝管，二者均能满足热电偶检定的检定温度要求；但是在热电偶的检定中，测得数据结果有一定的偏差。本文从热电偶测温原理及标准偶封头材料特性上，采用三种方案来实验分析标准偶采用不同材料对测量结果造成的影响。

热电偶测温原理

热电偶（thermocouple）是温度测量仪表中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过二次仪表转换成被测介质的温度。

当两种不同导体A和B被连接成一闭合回路时。两节点处的温度不同，在两导体间产生热电势，产生热电效应。两种导体两个接点中，其中一个为工作端（热端），另一个为参考端（冷端）。这两种不同导体的组合成为热电偶。

图Ⅰ热电偶原理图

对于一根均质的金属导体，若两端温度分别为t，t0；则在两端会产生电动势。导体内自由电子在高位具有较大的动能，因而向低温端扩散。高温端因为失去电子而成正电，低温端由于获得电子而成负电，在高低温端之间行成一电位差，即表示为：(1)

(2)

将导体A、B焊接成闭环，一个焊点温度为t，另一个焊点温度为t0，且t>t0，则闭环电路中会有四个电动势。四个电动势分别为eAB(t)、eAB(t0)、eA(t，t0)、eB(t，t0)，则热电偶电动势EAB(t，t0)为：

(3)

(4)

式中EAB—AB两种金属材料，温度为T时的接触电动势；K为波而兹曼常数，q电子电荷量，nA，nB为A、B两种材料的电子密度[1]。

热电偶两电极材料相同，即使两端温度T≠T0，但总的热电势为零；热电偶两端温度T=T0，则总的热电势为零；热电势的大小共与材料和接点温度有关，与热电偶的尺寸，形状及端电极温度分布无关。

二、标准偶封头套管材料

目前，大多数实验室检定热电偶标准偶套管采用的是石英管和高铝管，被检热电偶实验室检定过程中一般不加套管封头。对此，我们来比较下石英管和高铝管的热学性能。

（一）、石英玻璃管

石英玻璃管是用二氧化硅制造的特种工业技术玻璃，是一种非常优良的基础材料。石英玻璃的热膨胀系数极小，其线膨胀系数（5.5×10-7/℃），比所有材料的线膨胀系数都低，经过掺杂的石英玻璃甚至可以达到零膨胀。石英玻璃管具有极高的热稳定性，能承受剧烈的温度变化而不炸裂；石英玻璃薄片加热到1500℃，急速投入20℃水中也不会炸裂[2]。中国产品行业标准规定，将石英玻璃管加热到1100℃保温15分钟，立即投入20±5℃水中急冷，不得出现裂纹、缺口和大于3mm崩落。由此石英管有极好的热稳定性。

（二）、高铝管

高铝管在高温下有着优秀的抗弯强度，有着极可靠的热稳定性和优异的耐热冲击性能。热电偶套管使用的高铝管含三氧化二铝高达85%，高温弯曲度较低，耐粘结温度较高；耐急速冷却性1300℃不出现裂纹。目前国内生产的高铝管完全达到了国际同类产品的先进水平。

三、热电偶检定方法分析

本实验采用实验室的泰安磐然ZRJ-03热工仪表检定系统，表Ⅰ是该系统的主要性能指标。由于标准热电偶偶具有较好的稳定性和复现性，本实验采用短S二等标准热电偶作为被检热电偶。设定检定温度点700℃。

准确度 0.01%读数

分辨率 0.1uV

扫描开关寄生电势

热电偶参考端补偿范围 5℃-50℃（分辨率0.1℃）

热电偶检定炉控制能力 220V、（0-40）A

控温稳定度 优于0.2℃/min

表Ⅰ ZRJ-03热工仪表检定系统主要技术指标[3]

（一）、热工检定系统的复现性和重复性进行评估。

实验首先对热工检定系统的复现性和重复性进行评估，为此在二等标准铂电偶套管是高铝管前提下进行三组实验，实验数据整理如表Ⅱ：

第一组 第二组 第三组

检定误差（℃） -0.4 -0.4 -0.4

检定运行时间（min） 52 53 51

表Ⅱ 二等标准铂电偶套管是高铝管三组实验数据

由表Ⅱ得知，经过三组实验泰安磐然ZRJ-03热工仪表检定系统的稳定性和重复性比较可靠。每次实验均由室温开始，下次检定开始必须炉温自然下降到室温，以排除由炉体引入的干扰分量。其他条件均不变，尽量减少由其他因素引入的干扰。环境温度由ZRJ-03热工仪表检定系统检测，由表Ⅰ可知探头分辨率为0.1℃。

（二）、二等标准铂电偶不同套管封头的实验。

在相同的实验条件下，分别在标准偶封头为高铝管、石英管和无封头的情况下实验；每组两次实验，以消除不确定的因素影响。实验数据整理如表Ⅲ：

高铝管 石英管 无封头

第一组 第二组 第一组 第二组 第一组 第二组

检定误差（℃） -0.4 -0.4 -0.4 -0.3 -0.1 0

检定运行时间（min） 52 53 50 48 47 55

表Ⅲ 二等标准铂电偶不同套管封头实验数据

通过表Ⅲ数据，我们从三方面来分析标准热电偶采用不同封头套管造成的影响：

1、检定误差方面：二等标准铂电偶采用高铝管或石英玻璃管做封头测得的数据误差较无封头的情况大，石英管封头测得的数据与高铝管封头测得的数据较为接近，但石英管封头测得的数据较为接近无封头的数据。这里我们可以看出，二等标准铂电偶采用无封头的检定方法更能复现出被检偶的真值；同时采用石英管略好于使用高铝管，如果被检热电偶处于临界点，使用高铝管做封头极有可能判定不合格，特别是对于检定廉金属热电偶，造成浪费。同时，在实验过程中发现，标准偶无封头难于在热电偶炉使其与被检热电偶在一个平面，因为对于捆绑在一起的被检热电偶，由于标准热电偶没有封头，很容易前后松动。因此在无封头的情况下，需要在热电偶检定炉中加限位器，用来固定标准热电偶的位置，使其与被检热电偶在一个温场内。

2、检定运行时间方面：二等标准铂电偶采用高铝管做封头检定使用的时间要比另外二者时间长，石英管和无封头检定所使用的时间相差不大。从材料上分析来看，高铝管和石英管都能满足热电偶检定的温度特性要求，但是石英管的热惰性短，使检定时间能有效的缩短。同时使用高铝管和石英管，使用石英管能提高效率，缩短检定时间；不过石英管属于易碎品，捆绑热电偶不慎就容易破碎，高铝管相比硬度大。

3、综合比较：从检定误差方面考虑采用标准热电偶不加封头的方法比较有效，能更接近的还原热电偶的真值。但是过多的使用很容易造成标准热电偶的损伤；因为没有封头套管，少了一层的保护，标准热电偶的热端容易损坏。如果热电偶炉能有保护性的限位器，采用不加封头的方法比较合理。从检定时间上来考虑，同样是采用标准偶不加封头合理；但是考虑经济因素，采用石英玻璃管封头比较合理。

四、总结

热电偶周期检定在热工系统检定中占不可替代地位，其检定数据的准确性影响着生产、安全等许多领域，这就要求热电偶周期检定的数据准确可靠。目前，国内关于热电偶检定过程中标准热电偶套管封头选择并没有统一的规定。本课题从实验的角度分析选用不同材料对测量结果的影响，以及测出标准电偶无封头的情况下的数据；借以为实验室检定热电偶标准偶套管封头材料的统一提供参考。

参考文献：

[1].马灵芝.传感器技术.大连理工出版社.2009

[2].王玉芬.石英玻璃.化学工业出版社.2007.3.1

[3].泰安磐然ZRJ-03热工仪表检定系统使用手册