長期以來，校準400℃～800℃范圍鎧裝廉金屬熱電偶（以下簡稱“鎧裝偶”）使用的恒溫設(shè)備多采用普通管式爐，但在滿載情況下校準時，多次測量得到的重復(fù)性達到0.79℃～1.20℃，實驗標準差0.30℃～0.42℃，測量不確定度1.5℃～1.6℃。其中，在400℃點測量不確定度為1.5℃，對于判定鎧裝偶的等級顯然不夠。針對這個問題，筆者進行了一系列實驗和研究，提出了改進方法。下面僅舉400℃試驗結(jié)果為例。
一、管式爐在校準中存在的問題
大部分熱電偶的校準采用比較法。它的基本要求是，標準和被校準對象處于同一個等溫的環(huán)境中。標準熱電偶測量得到的溫度就代表被校準對象所處的溫度。
以往校準鎧裝偶使用的管式爐，溫場均勻性指標為60mm，溫差不大于1℃。合格的管式爐往往都是在空載條件下測得的，實際應(yīng)用到鎧裝偶校準時，差別很大。
我們對管式爐在400℃和800℃滿載情況下進行的實驗表明，爐子插入熱電偶束一側(cè)，從測量端起30mm軸向溫場內(nèi)，最大溫差分別為2.16℃和2.26℃，滿載時的溫差大大超出了空載。
二、原因分析
分析原因主要是管式爐內(nèi)存在熱對流、熱輻射等引起溫場的變化，使熱電偶束受熱不均勻，造成溫場變差。被校鎧裝偶測量溫區(qū)所處的均勻溫區(qū)很短，得到的校準結(jié)果使測量不確定度變大，測量重復(fù)性下降。
三、實驗
下面是使用原方法和改進方法的實驗。
1.原方法
試驗設(shè)備：二等標準鉑銠10-鉑熱電偶、數(shù)字電壓表、管式爐、補償導(dǎo)線、冰點恒溫器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等。
試驗方法：將E型鎧裝偶（直徑6mm）沿陶瓷保護管（插標準偶）均勻分布，捆扎成一束，插入管式爐深度約300mm。鎧裝偶熱電極信號輸出端接補償導(dǎo)線，另一端與銅導(dǎo)線連接后，置入裝有酒精的玻璃試管內(nèi)，再均勻地插入冰點恒溫器；標準熱電偶參考端與銅導(dǎo)線的一端連接后，也插入冰點恒溫器。銅導(dǎo)線的另一端通過轉(zhuǎn)換開關(guān)與電測設(shè)備連接。當達到校準點400℃恒溫50min后，開始測量。每組測量后，冷卻至室溫，取出重新捆扎再插入管式爐，恒溫后進行測量。共進行6組獨立的重復(fù)測量。每支鎧裝偶的測量值是校準過程中記錄4次讀數(shù)，其熱電動勢算術(shù)平均值換算成的溫度值。實驗結(jié)果及實驗標準差如表1所示。
從表1數(shù)據(jù)可以看到，對同一支鎧裝偶的測量，其最大差值為0.79℃。
本文針對上述實驗帶來實驗標準差大的問題，設(shè)計了配管式爐用均溫塊，以改善爐子溫場的均勻性，提高爐溫的穩(wěn)定性，并進行了校準鎧裝偶方法的研究。
2.改進方法
將均溫塊（長80mm）的幾何中心放在爐子均勻溫場的中心，將標準偶套上高鋁保護管和被校鎧裝偶分別插至6孔均溫塊各孔底部，爐口處用絕緣耐火材料封堵，被校鎧裝偶熱電極信號輸出端與補償導(dǎo)線連接點離爐口處至少175mm。其他接線方式與原方法相同。
然后，對被校鎧裝偶進行6組獨立的重復(fù)測量，每組測量后，冷卻至室溫重新裝爐，恒溫后再進行測量。每支鎧裝偶的測量值是校準過程中記錄4次讀數(shù)，其熱電動勢算術(shù)平均值換算成的溫度值。實驗結(jié)果及實驗標準差見表2。
通過使用改進方法，得到的多次測量重復(fù)性和實驗標準差，與原方法（表1）得到的實驗結(jié)果比較，多數(shù)小近1/3。評估校準點400℃的測量不確定度為0.78℃（k=2），比原方法減小了約2倍，并小于允差絕對值的1/3。
3.進一步驗證
本文在熱管恒溫槽中對被校鎧裝偶也進行了重復(fù)測量，得到的實驗標準差與表2相吻合，進一步驗證了鎧裝偶校準方法的可靠性。幾種實驗標準差情況的比較如圖1所示。
四、結(jié)束語
1.現(xiàn)有用于檢定廉金屬熱電偶的檢定爐，用于校準鎧裝偶時，測量不確定度分量中應(yīng)充分考慮溫場不均勻性帶來的影響。
2.使用現(xiàn)有管式爐加均熱塊的方法，對提高校準鎧裝偶整套裝置的最佳能力，起著至關(guān)重要的作用。
3.能減少多次測量的重復(fù)性和實驗標準差。
2009年11月，全國溫度計量技術(shù)委員會審定通過了《鎧裝熱電偶》校準規(guī)范，更好地規(guī)范了鎧裝偶的校準方法。本研究力求推動我國校準部門對校準鎧裝偶裝置現(xiàn)狀的改進，確保量值溯源統(tǒng)一、準確、可靠，保證鎧裝偶的校準質(zhì)量，推動我國鎧裝偶的生產(chǎn)和校準行業(yè)的發(fā)展。
作者單位【遼寧省計量科學(xué)研究院】轉(zhuǎn)自《中國計量》