連續熱電偶也稱為尋熱式熱電偶，是基于塞貝克熱電效應制成的一種新型溫度傳感器(如圖1)。連續熱電偶的特點是無固定測量端，通過鎧裝工藝將熱敏材料填充在金屬套管內，與鎳鉻-鎳硅型(分度號K)熱電偶絲材結合在一起。在一定的溫度范圍內，可以連續產生與其所接觸范圍內最高溫度相對應的熱電動勢信號，通過函數關系計算得到其沿線的最高溫度值。其測量范圍一般為80～880℃，制造長度可以達到2～40m，因其“線狀”測量形式，可以節約大量的溫度傳感器和電測設備。應用于化工、機械、能源、倉儲等大面積、大范圍、大空間場所以及危險區域內發熱或超溫現象的檢測、預警等。



圖1 連續熱電偶實物

連續熱電偶制造絲材一般選擇鎳鉻-鎳硅作為正負極(分度號K)，理論上其熱電勢-溫度曲線應與傳統的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有固定測量端的特點，可能產生分流電勢，導致實際測量時連續熱電偶示值偏差可能較低，所以通過對其示值偏差和均勻性的校準以及不確定度評定，可以了解和掌握連續熱電偶的計量特性，方便使用人員和研究人員修正。
 

1、連續熱電偶結構及測量原理
連續熱電偶主要由金屬套管、熱敏材料、熱電偶絲、補償導線和接插件等部分組成，其內部結構如圖2所示。連續熱電偶通過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，對熱電偶絲材起到保護作用，其長期使用溫度可以達到1100℃，滿足測量需要。熱敏材料為NTC熱敏材料，作為絕緣材料填充到金屬套管內。
 

 
圖2 連續熱電偶結構

與傳統的熱電偶不同，連續熱電偶沒有固定的測量端。當熱電偶沿線某點A的溫度T1超過其他部分的溫度時，該點兩個熱電極之間的熱敏材料電阻降低，從而在A點形成一個臨時的測量端，如圖3所示。當熱電偶沿線出現另一個點B時，其溫度為T2，當T2>T1時，則B點形成新的臨時測量端。


圖3 連續熱電偶測量原理

由于連續熱電偶沒有固定測量端，則受測量環境影響的鎧裝沿線皆可為測量端，且測量端總是出現在鎧裝沿線的最高溫度點處。

2、測量方法
根據JJF1631-2017《連續熱電偶校準規范》，連續熱電偶的校準側重于熱電特性的測量，一般包括：示值偏差和測量均勻性兩項。校準所使用的標準器及配套設備如表1所示。

表1 檢定連續熱電偶所需標準器及配套設備



2.1 示值偏差
熱電偶示值偏差的校準可以考查熱電偶示值偏離分度表的程度。將連續熱電偶繞成圈材整體放入恒溫設備中，恒溫設備根據校準溫度一般使用恒溫箱或箱式電阻爐。整個圈材置于恒溫設備有效工作區域的最高均勻溫場中心，端部露出部分不超過其總長的1/4。測量標準一般為標準鉑電阻溫度計或標準熱電偶，將測量標準放置在圈材的中心處，被測和標準器的接線方法如圖4所示。
 

 
圖4 示值偏差校準接線

恒溫設備達到設定溫度后，穩定至少10min，當溫場的實際溫度偏離校準溫度不超過±5℃且溫度變化不超過1℃/min時，按照標準-被測-被測-標準的順序讀取示值，每支熱電偶讀取四次。

2.2 均勻性
連續熱電偶均勻性的校準可以考查鎧裝沿線各位置點產生臨時測量端示值的差異。一般在300℃時進行，校準位置選擇在鎧裝沿線的前、中、后段均勻分布的a、b、c三個點，如圖5所示。a點和c點距離接插端部50 cm,b點與a點和c點的距離大于等于1m。



圖5 連續熱電偶均勻性校準位置點的選取

將標準熱電偶測量端和連續熱電偶第一個校準位置a點靠攏，放置在熱電偶測量爐最高均勻溫場中心位置。將熱電偶測量爐溫度設定為300℃，達到設定溫度后穩定至少10min。當溫場的實際溫度偏離校準溫度不超過±5℃且溫度變化不超過1℃/min時，按照標準-被測-被測-標準的順序讀取示值，每支熱電偶讀取四次。接線方法如圖6所示。測量完一個位置點，緩慢平移熱電偶，使其下一個位置點與標準熱電偶測量端靠攏，完成其他位置點的測量。



圖6 連續熱電偶均勻性校準接線

3、設備研制
為了提高傳統測量爐的溫場均勻性，在傳統測量爐的基礎之上設計四溫區測量爐，包括爐體、溫控器、滑輪和軌道標尺、基座。外部結構見圖7，內部結構見圖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熱率小一個數量級的佑熱高溫材料。佑熱高溫材料之外使用金屬圓筒狀內殼進行固定，內殼之外通過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，底座內安裝可控制電氣和四回路溫度調節器。底座具有滑軌與爐體安裝在基座上，基座具有長度分度標尺，可以準確調節軸向位置。



圖7 四溫區測量爐外部結構

內部沿用管式熱電偶測量爐的基本結構，爐體長度約為600mm。以95剛玉作為爐外管，以99剛玉材料作為爐內管，內徑φ60mm，外徑φ70mm，長度615mm。溫度上限可達1700℃，在常用的工作區間(1200℃以下)具有較高的機械強度，不會產生變形。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。各溫區均有獨立的供電控制模塊，可獨立實施功率控制。各溫區供電電源均采用直流穩壓電源，功率調節采用直流固態繼電器，調功控制端施加占空比可控的PWM信號(PWM周期約1s)，使各溫區的加熱功率均可從最大功率的0.0～100.0%之間無級調節。



圖8 四溫區測量爐內部結構

爐體內置四支S型控溫熱電偶，其外層保護管位于爐管外壁與加熱絲之間，沿爐管外壁向爐內延伸，控溫偶測量端位于相應溫區的軸向幾何中心。

根據測量爐結構和設計指標，設置三種溫場模式。寬溫場模式和中心溫場模式關系相近，但參數不同，達到的溫場效果也不同，兩種模式設定的各溫區的關系和作用見表2。

表2 寬溫場和中心溫場模式



左側溫場模式設定下各溫區的關系和作用見表3。

表3 左側溫場模式



測量爐的主溫區設定為“2#溫區”，由溫控器的主通道負責溫度調節，構成的調節閉環稱為主調節回路。其他為輔助溫區，由溫控器的輔助通道負責溫度調節，構成的調節閉環稱為輔助調節回路。測量爐的主溫區參數確定后，各輔助回路是以“跟蹤”方式進行與主回路相關聯的溫度調節。

4、實驗結果
選取六支鎧裝連續熱電偶，測量范圍：300～600℃；規格：L=5000mm、φ3mm；編號為1#～6#。對其在300℃、400℃和600℃進行示值偏差的校準，實驗數據通過式(1)和式(2)計算，其結果見表4。均勻性校準結果見表5。





式中：?Et為連續熱電偶在校準溫度點處的熱電勢對比分度表的偏差，mV；和為連續熱電偶和標準熱電偶在實際校準溫度下測得的熱電勢平均值，mV；為標準熱電偶證書值得到的某溫度點的熱電勢值，mV；S被和S*為在分度表中查得的連續熱電偶和標準熱電偶在校準溫度點的微分熱電勢值，mV/℃；E分為在分度表中查得的連續熱電偶在校準溫度點處的熱電勢值，mV；?t為連續熱電偶在校準溫度點處的溫度示值偏差，℃。

表4 示值偏差實驗結果



表5 均勻性實驗結果



六支熱電偶示值偏差和均勻性的實驗結果分別在各校準溫度點上取其平均值，由平均值可以得出，連續熱電偶的示值偏差和均勻性隨著測量溫度的升高而增大。300～600℃的示值偏差平均值為-27.51℃，根據誤差理論其修正值為+28℃。

5、不確定度評定
測量不確定度可以表征被測量值的分散性，通過GUM法對連續熱電偶測量范圍進行不確定度分析和評定，得到測量結果的擴展不確定度。

5.1 示值偏差校準不確定度
以800℃為例，對式(1)各輸入量進行不確定度分析評定，得出示值偏差校準的標準不確定度分量匯總表，如表6所示。

表6 示值偏差的標準不確定度分量匯總



由于各分量之間相互獨立，因此，合成標準不確定度：



800℃連續熱電偶示值偏差的擴展不確定度：

連續熱電偶其他各校準溫度點示值偏差的擴展不確定度如表7所示。

表7 示值偏差的標準不確定度分量匯總



5.2 均勻性校準不確定度

   -------公式(3)

公式(3)中：δt為連續熱電偶在校準溫度點處的均勻性，℃；?tmax、?tmin為連續熱電偶三個位置點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源與示值偏差相同，所以標準不確定度分量和合成標準不確定度省略。

300℃連續熱電偶均勻性的擴展不確定度：U'=111.62μV，相當于2.7℃。

6、結語
由實驗結果可知，連續熱電偶在300℃以上的高溫段示值偏差較大，隨著測量溫度的升高逐漸增大。K型熱電偶的分度表整體偏移，可以在使用時根據測量溫度在溫度二次儀表進行修正，整體修正值為+28℃。也可更加細化地按照實驗結果對整百度的適用范圍進行分別修正。連續熱電偶的均勻性為5～8℃不等，又因為均勻性的擴展不確定度為2.7℃，所以可以在使用前挑選均勻性不大于10℃的連續熱電偶優先使用。在不確定度的分析中，熱源的溫場均勻性是連續熱電偶校準結果分散性最大的影響因素，未來可以研制均勻性更佳的熱源降低擴展不確定度。

作者：天津市計量監督檢測科學研究院 王喆、王曉丹、余松林

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