连续热电偶也称为寻热式热电偶，是基于塞贝克热电效应制成的一种新型温度传感器(如图1)。连续热电偶的特点是无固定测量端，通过铠装工艺将热敏材料填充在金属套管内，与镍铬-镍硅型(分度号K)热电偶丝材结合在一起。在一定的温度范围内，可以连续产生与其所接触范围内最高温度相对应的热电动势信号，通过函数关系计算得到其沿线的最高温度值。其测量范围一般为80～880℃，制造长度可以达到2～40m，因其“线状”测量形式，可以节约大量的温度传感器和电测设备。应用于化工、机械、能源、仓储等大面积、大范围、大空间场所以及危险区域内发热或超温现象的检测、预警等。
图1 连续热电偶实物
连续热电偶制造丝材一般选择镍铬-镍硅作为正负极(分度号K)，理论上其热电势-温度曲线应与传统的K型热电偶相近。但因其使用热敏材料作为绝缘材料并且没有固定测量端的特点，可能产生分流电势，导致实际测量时连续热电偶示值偏差可能较低，所以通过对其示值偏差和均匀性的校准以及不确定度评定，可以了解和掌握连续热电偶的计量特性，方便使用人员和研究人员修正。
1、连续热电偶结构及测量原理
连续热电偶主要由金属套管、热敏材料、热电偶丝、补偿导线和接插件等部分组成，其内部结构如图2所示。连续热电偶通过拔丝工艺制成铠装热电偶，铠装型式可以保证热电偶的弯曲型，最小弯曲半径为50mm，方便安装使用。最外层的金属套管一般由Inconel 600合金制成，对热电偶丝材起到保护作用，其长期使用温度可以达到1100℃，满足测量需要。热敏材料为NTC热敏材料，作为绝缘材料填充到金属套管内。
图2 连续热电偶结构
与传统的热电偶不同，连续热电偶没有固定的测量端。当热电偶沿线某点A的温度T1超过其他部分的温度时，该点两个热电极之间的热敏材料电阻降低，从而在A点形成一个临时的测量端，如图3所示。当热电偶沿线出现另一个点B时，其温度为T2，当T2>T1时，则B点形成新的临时测量端。
图3 连续热电偶测量原理
由于连续热电偶没有固定测量端，则受测量环境影响的铠装沿线皆可为测量端，且测量端总是出现在铠装沿线的最高温度点处。
2、测量方法
根据JJF1631-2017《连续热电偶校准规范》，连续热电偶的校准侧重于热电特性的测量，一般包括：示值偏差和测量均匀性两项。校准所使用的标准器及配套设备如表1所示。
表1 检定连续热电偶所需标准器及配套设备
2.1 示值偏差
热电偶示值偏差的校准可以考查热电偶示值偏离分度表的程度。将连续热电偶绕成圈材整体放入恒温设备中，恒温设备根据校准温度一般使用恒温箱或箱式电阻炉。整个圈材置于恒温设备有效工作区域的最高均匀温场中心，端部露出部分不超过其总长的1/4。测量标准一般为标准铂电阻温度计或标准热电偶，将测量标准放置在圈材的中心处，被测和标准器的接线方法如图4所示。
图4 示值偏差校准接线
恒温设备达到设定温度后，稳定至少10min，当温场的实际温度偏离校准温度不超过±5℃且温度变化不超过1℃/min时，按照标准-被测-被测-标准的顺序读取示值，每支热电偶读取四次。
2.2 均匀性
连续热电偶均匀性的校准可以考查铠装沿线各位置点产生临时测量端示值的差异。一般在300℃时进行，校准位置选择在铠装沿线的前、中、后段均匀分布的a、b、c三个点，如图5所示。a点和c点距离接插端部50 cm,b点与a点和c点的距离大于等于1m。
图5 连续热电偶均匀性校准位置点的选取
将标准热电偶测量端和连续热电偶第一个校准位置a点靠拢，放置在热电偶测量炉最高均匀温场中心位置。将热电偶测量炉温度设定为300℃，达到设定温度后稳定至少10min。当温场的实际温度偏离校准温度不超过±5℃且温度变化不超过1℃/min时，按照标准-被测-被测-标准的顺序读取示值，每支热电偶读取四次。接线方法如图6所示。测量完一个位置点，缓慢平移热电偶，使其下一个位置点与标准热电偶测量端靠拢，完成其他位置点的测量。
图6 连续热电偶均匀性校准接线
3、设备研制
为了提高传统测量炉的温场均匀性，在传统测量炉的基础之上设计四温区测量炉，包括炉体、温控器、滑轮和轨道标尺、基座。外部结构见图7，内部结构见图8。包覆热源外管的保温材料选用氧化铝纤维及氧化锆纤维制成的高铝毡，高铝毡的外部使用导热率小一个数量级的佑热高温材料。佑热高温材料之外使用金属圆筒状内壳进行固定，内壳之外通过一定的空气间隙包覆外壳。底座上安装触摸屏，作为热源的控制台，底座内安装可控制电气和四回路温度调节器。底座具有滑轨与炉体安装在基座上，基座具有长度分度标尺，可以准确调节轴向位置。
图7 四温区测量炉外部结构
内部沿用管式热电偶测量炉的基本结构，炉体长度约为600mm。以95刚玉作为炉外管，以99刚玉材料作为炉内管，内径φ60mm，外径φ70mm，长度615mm。温度上限可达1700℃，在常用的工作区间(1200℃以下)具有较高的机械强度，不会产生变形。加热丝采用φ1.5mm的铁铬铝电加热丝，沿炉管外壁分段、均匀绕制。各温区均有独立的供电控制模块，可独立实施功率控制。各温区供电电源均采用直流稳压电源，功率调节采用直流固态继电器，调功控制端施加占空比可控的PWM信号(PWM周期约1s)，使各温区的加热功率均可从最大功率的0.0～100.0%之间无级调节。
图8 四温区测量炉内部结构
炉体内置四支S型控温热电偶，其外层保护管位于炉管外壁与加热丝之间，沿炉管外壁向炉内延伸，控温偶测量端位于相应温区的轴向几何中心。
根据测量炉结构和设计指标，设置三种温场模式。宽温场模式和中心温场模式关系相近，但参数不同，达到的温场效果也不同，两种模式设定的各温区的关系和作用见表2。
表2 宽温场和中心温场模式
左侧温场模式设定下各温区的关系和作用见表3。
表3 左侧温场模式
测量炉的主温区设定为“2#温区”，由温控器的主通道负责温度调节，构成的调节闭环称为主调节回路。其他为辅助温区，由温控器的辅助通道负责温度调节，构成的调节闭环称为辅助调节回路。测量炉的主温区参数确定后，各辅助回路是以“跟踪”方式进行与主回路相关联的温度调节。
4、实验结果
选取六支铠装连续热电偶，测量范围：300～600℃；规格：L=5000mm、φ3mm；编号为1#～6#。对其在300℃、400℃和600℃进行示值偏差的校准，实验数据通过式(1)和式(2)计算，其结果见表4。均匀性校准结果见表5。
式中：∆Et为连续热电偶在校准温度点处的热电势对比分度表的偏差，mV；
和
为连续热电偶和标准热电偶在实际校准温度下测得的热电势平均值，mV；
为标准热电偶证书值得到的某温度点的热电势值，mV；S被和S*为在分度表中查得的连续热电偶和标准热电偶在校准温度点的微分热电势值，mV/℃；E分为在分度表中查得的连续热电偶在校准温度点处的热电势值，mV；∆t为连续热电偶在校准温度点处的温度示值偏差，℃。
表4 示值偏差实验结果
表5 均匀性实验结果
六支热电偶示值偏差和均匀性的实验结果分别在各校准温度点上取其平均值，由平均值可以得出，连续热电偶的示值偏差和均匀性随着测量温度的升高而增大。300～600℃的示值偏差平均值为-27.51℃，根据误差理论其修正值为+28℃。
5、不确定度评定
测量不确定度可以表征被测量值的分散性，通过GUM法对连续热电偶测量范围进行不确定度分析和评定，得到测量结果的扩展不确定度。
5.1 示值偏差校准不确定度
以800℃为例，对式(1)各输入量进行不确定度分析评定，得出示值偏差校准的标准不确定度分量汇总表，如表6所示。
表6 示值偏差的标准不确定度分量汇总
由于各分量之间相互独立，因此，合成标准不确定度：
800℃连续热电偶示值偏差的扩展不确定度：
连续热电偶其他各校准温度点示值偏差的扩展不确定度如表7所示。
表7 示值偏差的标准不确定度分量汇总
5.2 均匀性校准不确定度
-------公式(3)
公式(3)中：δt为连续热电偶在校准温度点处的均匀性，℃；∆tmax、∆tmin为连续热电偶三个位置点的温度示值偏差中的最大值、最小值，℃
由式(2)和式(3)可知，∆tmax和∆tmin的各不确定度分量来源与示值偏差相同，所以标准不确定度分量和合成标准不确定度省略。
300℃连续热电偶均匀性的扩展不确定度：U'=111.62μV，相当于2.7℃。
6、结语
由实验结果可知，连续热电偶在300℃以上的高温段示值偏差较大，随着测量温度的升高逐渐增大。K型热电偶的分度表整体偏移，可以在使用时根据测量温度在温度二次仪表进行修正，整体修正值为+28℃。也可更加细化地按照实验结果对整百度的适用范围进行分别修正。连续热电偶的均匀性为5～8℃不等，又因为均匀性的扩展不确定度为2.7℃，所以可以在使用前挑选均匀性不大于10℃的连续热电偶优先使用。在不确定度的分析中，热源的温场均匀性是连续热电偶校准结果分散性最大的影响因素，未来可以研制均匀性更佳的热源降低扩展不确定度。
作者：天津市计量监督检测科学研究院 王喆、王晓丹、余松林
相关阅读
◆连续热电偶的六个特性
◆连续热电偶的设计与应用
◆仪表工怎样校准连续热电偶？连续热电偶校准项目有哪些
