热电偶是测量温度、特别是测量高温使用最多的温度传感器, 目前国内对高温传感器在1 500℃以上温度点的校准能力有限, 特别是在国防武器研制过程中, 尽管存在大量的校准需求, 但国内的计量机构大多数还不能开展此项工作。为了更好地开展以钨铼热电偶为代表的高温热电偶在1 500℃以上温度点的校准工作, 304所开展了高温钨铼热电偶校准装置的研制[1], 并使用该装置开展了一系列试验工作。

钨铼热电偶作为测温传感器, 具有价格低廉、测温上限高的优点, 而且我国是产钨大国, 因此钨铼是高温测量领域很有前途的测温材料。随着钨铼热电偶测温精度的不断提高, 预计钨铼热电偶将逐渐替代铂铑热电偶, 成为应用最主流的测温热电偶。ASTM美国材料与试验协会二十世纪就将钨铼热电偶进行了标准化, 并发布了标准E452—02 (2007) 《Standard Test Method for Calibration of Refractory Metal Thermocouples Using a Radiation Thermometer》, 该方法适用于钨铼热电偶在800℃以上进行检定, 对于其他一些特殊类型的高温热电偶也可以参考该标准。对于1500℃以上高温热电偶的校准国内目前还没有相关的标准或规范, 本装置采用的校准方法, 参考ASTM的E452—02标准。

该装置主要由高温炉、水冷系统、真空系统、充气保护系统、温度控制系统和数据采集系统六部分组成, 组成框图如图1所示。

装置的主体是高温炉, 设计温度范围为1 500℃~3 000℃;水冷系统主要是对炉体、通电电极以及热电偶保护管等进行冷却;真空系统主要是对被检热电偶和发热体进行抽真空保护, 考虑到热电偶在高温校准时材料的挥发, 抽完真空后还需要进一步进行充氩气或其他惰性气体, 保护被校热电偶;温度控制系统包括电源、控制用的光纤传感器、控温仪表、晶闸管以及变压器等, 组合后完成对高温炉温度控制;数据采集系统包括被检热电偶、数据采集器、光电高温计以及电脑和采集软件。

该装置采用立式高温炉作热源, 光电高温计作为标准器, 通过炉体内部的均匀温区使光电高温计感受到炉体中心区的温度, 均匀温区的末端与被检热电偶的感温端接近在同一平面, 被检热电偶通过数据采集器采集到热电偶的电势值, 通过换算转成温度值, 与标准光电高温计的标准温度值比较, 得到热电偶的示值误差。校准试验示意图如图2所示。

检定过程中, 随着炉温的升高, 加热管和钨保护管受热会发生膨胀, 设计过程中将黑体辐射腔设计成椭圆状, 就是充分考虑了其膨胀量, 即使钨管受热膨胀光电高温计也能瞄准黑体腔辐射孔。钨管及黑体辐射腔结构示意图如图3所示。

将WRe3-WRe25或者WRe5-WRe26热电偶封入外径为6 mm的钨套管内, 用氧化镁作为绝缘材料, 理论上应具有长期的热电稳定性[2]。但经过初期试验对比, 实际测得的数据差异较大, 分析原因是在封装时难以避免有少量空气被封装到钨保护内管内, 高温情况下钨、铼会被氧化, 导致测量结果不可靠。

针对此问题, 本试验采取了以下两种解决方案。

(1) 采取在真空手套箱中封装, 首先将真空手套箱抽真空, 并充氩气保护, 为了使箱室内氩气更纯净, 反复进行几次上述步骤。由于钨套管在车床加工过程中粘有油渍, 因此使用前用酒精清洗几次, 并利用热风枪吹钨套管外表面, 使其内表面残余酒精挥发。具体安装实例如图4所示。

(2) 将钨铼热电偶裸丝穿入氧化镁保护管内, 在其端部与橡胶塞连接处温度较低, 用刚玉管进行封装, 其中裸露的氧化镁管致密性不严, 需全部用密封胶封装, 通过对炉体和钨管两套相互隔离的环境抽真空并充氩气保护, 可有效避免进入空气对钨铼热电偶的氧化。裸丝测试安装实例如图5所示。

试验选用同一批次的4支WRe5/26型钨铼热电偶, 最大允差为±1%。测试温度点为1 500、1 800、2 000、2 200、2 300℃, 每个测试点相同试验条件下进行4次, 记录每次的修正值, 测试结果如表1所示, 修正值曲线如图6所示。

2 000℃以下所有测试点测量误差均在所测温度点1%范围内, 2 000℃以上热电偶修正值逐渐增大, 分析原因如下:

(1) 2 000℃以上金属钨、铼挥发, 导致热电势变小, 引起修正值增大。

(2) 2 000℃以上氧化镁保护管内的杂质挥发, 并与钨、铼发生反应, 导致修正值增大。

(3) 高温下氧化镁保护管内水分与钨、铼发生反应导致修正值增大, 下一步实验将氧化镁管预先在烘箱中处理, 并放在密闭容器中储存。

(4) 随着时间的延长, 高温下杂质对偶丝污染更严重, 如果直接测试2 300℃可能效果会好些, 须进一步实验验证。

(5) 由高温下氧化镁绝缘性能变差导致, 查阅文献发现氧化铪、三氧化二钇等绝缘材料更为合适, 目前成品还未找到。

针对上述第二种封装工艺改进方案, 由于对炉体内所用钨管纯度要求高, 所以还须进一步验证。

影响钨铼热电偶校准结果的不确定度分量有以下几个方面[3]:

(1) 黑体发射率形成的不确定度分量u1;

(2) 黑体空腔的等温误差形成的不确定度分量u2;

(3) 黑体空腔的温场不稳定性形成的不确定度分量u3;

(4) 标准光电高温计以及石英玻璃透光率引起的测量不确定度分量u4;

(5) 人的主观条件与实验室客观条件引起的测量不确定度分量u5;

(6) 电测系统测量不确定度分量u6;

(7) 热电偶导热影响量不确定度分量u7;

(8) 被检热电偶重复性不确定度分量u8。

根据1 500~2 300℃的各个分量的具体值可得到在不同温度点扩展不确定度和相对不确定度[4], 在1 500℃时相对不确定度为0.47%, 在2 300℃时相对不确定度为0.55%。篇幅有限, 此处不一一列举。

(1) 对两种送检形式被校热电偶提出了不同封装改进方式, 有效地解决了防止钨铼热电偶丝氧化的问题。试验证明本装置可以完成1 500℃以上高温热电偶的校准工作。

(2) 通过对钨铼热电偶1 500~2 300℃校准结果的分析, 其相对不确定度在0.6%以内, 各影响分量中, 黑体腔的发射率和标准器光电高温计引入的不确定分量占比较大, 因此在装置研制中除了满足炉体本身的性能外, 尽可能选用准确度高、性能较好的标准器, 黑体腔的设计要满足一定的黑度系数, 从而最大程度地减小校准结果不确定度。