热电偶校准仪原理

[b]前言[/b]马弗炉，又称电阻炉，根据外观形状可称为箱式炉、管式炉、坩埚炉等，是实验室中一种常见的设备，主要用于加热样品。目前在售的马弗炉，通常采用智能PID调节控制升降温程序和炉内温度，测温元件常用的是热电偶。大家在使用马弗炉时，通常会考虑一个问题，即炉子的温度准不准？我们经常要使用马弗炉烧结样品做科学研究，温度的准确性对于结果的可靠性非常重要。要回答这个问题，其实涉及到3个方面：1.热电偶测温是否准确，2.马弗炉内温度场分布是否均匀，3.PID控制精度。第3点对于厂家来说通常不成问题，误差可以控制到±1℃，甚至小于±1℃；第2点可以咨询厂家索取技术资料，也能达到要求；然后我们主要考虑和解决了第1点，热电偶测温准确性问题。热电偶有不同的类型，不同类型的热电偶测温的范围是不一样的，以下引用论坛其他版友帖子内容（[url=https://bbs.instrument.com.cn/topic/7148533]【原创】热电偶（themral couple）[/url]）：“常用的的热电偶分为K、S、B型：k型热电偶测量的温度是1200度以下，材料是镍铬和镍硅材料。s型热电偶测量1500度以下，铂铑1和0纯铂（铂铑10-铂热电偶就是：偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极（rp）的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为13%，含铂为87%，负极（rn）为纯铂，长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃。）b型热电偶测量1700度以下铂铑30和铂铑6（铂铑30-铂铑6就是：偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极（bp）的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为30%，含铂为70%，负极（bn）为铂铑合金，含铑为量6%，故俗称双铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度为1600℃，短期最高使用温度为1800）”虽然三种类型的热电偶都具有较宽的温度使用范围，但实际上在不同温度范围的精度是不一样的。根据[url=https://baike.baidu.com/item/K%E5%9E%8B%E7%83%AD%E7%94%B5%E5%81%B6#3_3]百度百科[/url]的建议：“使用温度在1300~1800℃，要求精度又比较高时，一般选用B型热电偶；使用温度在1000~1300℃要求精度又比较高可用S型热电偶；在1000℃以下一般用K型热电偶。”[b] 实验方法与过程[/b]我们实验室用的一台箱式炉（如图1，型号KJ-M1400-1C）配的是S型热电偶，我们的使用需求是既要用25-700℃，又要用800-1300℃，所以几乎整个温度范围都需要校准。[align=center][img=,451,681]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/10/201910171110386020_7265_2193245_3.jpg!w451x681.jpg[/img][/align][align=center]图1[/align]校准方法如下：自行购置PT100热电阻、K型热电偶、S型热电偶（见图2），分别对应测温范围为25-300℃、300-1000℃、1000-1300℃。在炉子的保温砖上钻一个孔，外置的热电偶/热电阻从孔中插入到炉膛内，另外一端连接至温度记录仪（见图3），同时用S型温度补偿导线从炉子本身热电偶上并联接出至温度记录仪。这样在升温/降温程序运行时，炉子本身热电偶测得的温度和外置的热电偶/热电阻测得的温度变会同步记录在温度记录仪上。采用以下两种升温程序：1.以2.5 ℃/min的升温速率从室温升至300 ℃，然后保温1h；2.以5 ℃/min的速率从室温升温至1350℃，每50 ℃保温10min。[align=center][img=,690,464]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/10/201910171112270740_3209_2193245_3.jpg!w690x464.jpg[/img]图2[img=,690,684]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/10/201910171112278280_4078_2193245_3.jpg!w690x684.jpg[/img]图3[/align][b]结果分析[/b]如图4、5所示为25-300℃范围外置PT100热电阻（图中标记为PT100或Measured）与炉子自带S型热电偶（图中标记为System）测得的温度变化曲线。从这两张图可以看出，在25-300℃范围，实际温度与炉子自带S型热电偶测得温度差别较大，差值最大超过100℃。图4升温程序本为升温10min、保温10min交替进行，保温阶段温度应该基本不变（曲线有平台），但结果显示，无论自带还是外置，曲线都无明显平台，而是波动较大。图5结果表明，在25-300℃范围，2.5 ℃/min这样很慢的升温速率，温度是波动式上升的，实际温度比炉子自带S型热电偶测得温度高50-80℃，温度越低，差值越大；到300℃保温半小时以后，差值才趋于稳定，高约50℃。[align=center][img=,690,519]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/10/201910171113416019_2041_2193245_3.jpg!w690x519.jpg[/img]图4[img=,690,524]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/10/201910171113431399_5991_2193245_3.jpg!w690x524.jpg[/img]图5[/align]如图6所示为300-1000℃范围外置K型热电阻（图中标记为K）与炉子自带S型热电偶（图中标记为System）测得的温度变化曲线。从图中可以看出，炉子自带S型热电偶测得温度依然比实际温度偏低，差别小于50℃，温度越高，差别越小。[align=center][img=,690,515]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/10/201910171113446170_904_2193245_3.jpg!w690x515.jpg[/img]图6[/align]如图7所示为1000-1350℃范围外置S型热电阻（图中标记为S）与炉子自带S型热电偶（图中标记为System）测得的温度变化曲线。在1000-1150℃范围内，二者温度基本一样，曲线几乎重合，往后1150-1350℃，外置S型热电阻比炉子自带S型热电偶测得的温度低。可能的原因有两点：1.虽然同为S型热电偶，但考虑到材料或加工等方面的原因，精度会有差别；2.外置热电偶的长度不够，即使完全伸进炉膛，与内置热电偶测温的位置仍然不一样（PT100热电阻和K型热电偶足够长，没有这个问题）。[align=center][img=,690,525]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/10/201910171113462489_428_2193245_3.jpg!w690x525.jpg[/img]图7[/align]分析以上实验结果的时候，外置热电偶所测温度被当成是实际温度，可能有人会有疑问，你怎么知道你买的这些热电偶就是很准确的呢？诚然，我也无法确定它们的精确程度，最严谨的方法应该是用经过计量认证的测温工具来测试。但我们没有这个条件，只能采用这种低成本（单根几百元）的方式校准，它们是符合国家标准的合格产品，结果有一定的可信度。其实也并非S型热电偶只能测准1000-1300℃，还是得看材料和工艺，最终体现在价格上。举个例子，差式量热扫描仪（DSC）的热电偶同为S型，即使测1000℃以下的温度也很准确，价格约2万；而我们的马弗炉总价可能才2万左右，那S型热电偶价格估计只要几百，不超过一千，所以精确度差点也可以理解。[b]总结[/b]1.对于该台配S型热电偶的箱式炉，在25-300℃，温度偏差50-80℃，在300-1000℃，温度偏差小于50℃，1000-1350℃认为无偏差；2.对于不同温度范围的使用需求，应考虑购置相应类型热电偶的马弗炉。[b]后记[/b]说了那么多，最终还是要解决我们的需求。刚开始分析出这个结果的时候，将就着用，只是设置温度的时候，按校准过的温度设置。比如要烧700℃，设置成650℃。后来重新买了一台配K型热电偶的箱式炉，烧1000℃以下时就用这台。也用同样的方法校准过，300℃以下温差小多了。然后还买了一台配B型热电偶的管式炉，最高烧到1500℃。