熱電偶電動勢規(guī)范和允差國家標準修訂解讀

肖紅練

(上海工業(yè)自動化儀表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

熱電偶分度表及允差的現(xiàn)行國家標準GB/T 16839.1-1997《熱電偶第1部分：分度表》[1]和GB/T 16839.2-1997《熱電偶第2部分：允差》[2]，是熱電偶標準中重要的基礎標準。它們所等同采用的國際標準IEC 60584[3]已于2013年發(fā)布新版本。IEC/SC65B的國內(nèi)技術對口單位全國工業(yè)測量控制和自動化標準化技術委員會第一分技術委員會(SAC/TC124/SC1)以IEC 60584-1：2013為基礎，組織實施了對GB/T 16839.1-1997和GB/T 16839.2-1997的修訂工作。該項工作已于2017年完成。新版國家標準正待發(fā)布，其名稱為《熱電偶第1部分：電動勢規(guī)范和允差》。

1 我國標準與IEC 60584的對應關系

新版國家標準及該標準的歷次版本與IEC標準的對應關系如表1所示。

表1 我國標準與IEC標準的對應關系

2 新版GB/T 16839.1的主要內(nèi)容

2.1 10種類型熱電偶分度函數(shù)

新版標準涵蓋了10種類型熱電偶：鉑銠13%/鉑(R型)；鉑銠10%/鉑(S型)；鉑銠30%/鉑銠6%(B型)；鐵/銅鎳(J型)；銅/銅鎳(T型)；鎳鉻/銅鎳(E型)；鎳鉻/鎳鋁(K型)和鎳鉻硅/鎳硅(N型)、鎢錸5%/鎢錸26%(C型)、鎢錸5%/鎢錸20%(A型)。

R、S、B、J、T、E、K及N型熱電偶的分度多項式與GB/T 16839.1-1997相比，沒有變化。分度多項式最初是由美國國家標準與技術研究院(national institute of standards and technology, NIST)計算得出，并在1993年NIST第175號專題報告中進行了詳細敘述。

另2種C型和A型熱電偶，雖然在工業(yè)中應用已久，且企業(yè)也早就給了C型熱電偶字母標志，但正式納入IEC標準，給予字母標志還是首次。

我國從ZB Y300-1985《工業(yè)熱電偶分度表和允差》起，工業(yè)熱電偶按IEC國際標準生產(chǎn)，并重新指定S、B、E、K、R、J、T這7種標準化熱電偶的字母標志(這之前采用前蘇聯(lián)標準的字母標志)。20世紀六七十年代時，鎢錸熱電偶作為難熔金屬熱電偶，在高溫范圍得到應用。美國于1984年起陸續(xù)編制了3種鎢錸熱電偶的統(tǒng)一分度表。由于美國通常采用給鎢錸熱電偶加耐高溫甚至耐氧化外套的方式使用，因此非常昂貴，多半使用在特殊場合。雖然它們編制了3種分度表，但是總體使用量并不多。前蘇聯(lián)編制了另外的鎢錸熱電偶分度表。

我國不同行業(yè)分別采用前蘇聯(lián)標準或美國標準生產(chǎn)和使用鎢錸熱電偶，并從1986年起逐步將美國材料與試驗協(xié)會(American society for testing and materials, ASTM)標準轉化為相關的國家或行業(yè)標準。結合其耐高溫、價格便宜等優(yōu)點，我國開展了代替貴金屬生產(chǎn)快速熱電偶的研究，并取得成功。自此，鎢錸熱電偶在國內(nèi)的應用逐漸擴展。由于鎢是我國特產(chǎn)金屬，鎢錸熱電偶在我國價格比較便宜。我國應用鎢錸熱電偶普遍采用一次性或弱保護的短壽命使用方式，因此鎢錸熱電偶的消耗量大。俄國的鎢錸熱電偶生產(chǎn)量也較大，主要出口到中國。目前，我國工業(yè)系統(tǒng)較多使用C型和D型(D型是企業(yè)指定字母代號，而非標準指定代號)熱電偶，軍工系統(tǒng)會用一些A型熱電偶，所以國內(nèi)也有將D型熱電偶加入IEC標準的呼聲。

各種鎢錸熱電偶的特性接近。對于工業(yè)產(chǎn)品而言，從標準化的角度，應該盡量減少相近產(chǎn)品的品種。A型熱電偶由于將工業(yè)熱電偶的測溫上限升到了2 500 ℃，才在IEC標準中贏得一席之地，但是對其加入還是給出了許多要求。目前的A型熱電偶與原俄國標準是不完全相同的。總之，本次C型和A型納入IEC標準，對鎢錸熱電偶的使用是一種促進；僅納入C型、A型熱電偶而忽略另外2種鎢錸熱電偶，以促進鎢錸熱電偶的進一步標準化。

2.2 熱電偶允差

新版標準規(guī)定了按該標準要求進行制造的熱電偶應滿足的允差要求，并聲明這些允差值適用于新偶絲，不適用于使用中產(chǎn)品的漂移校準。

熱電偶使用一段時間以后，因其使用過程中的不確定性，例如污染、熱電極高溫揮發(fā)、氧化還原、脆化、熱應力、磁學特性的相變等，使分度值隨著時間、使用條件和受熱經(jīng)歷的不同而發(fā)生變化。若對使用中的熱電偶進行標定，需先進行退火，以消除電極中的內(nèi)應力，使偶絲狀態(tài)比較接近新偶絲。但由于漂移始終存在，而漂移是熱電偶的另一項技術指標，因此本標準允差僅針對新偶絲。對于使用中的偶絲，可由制造方與使用方另行協(xié)商。

2.3 附錄

附錄A：給出了從分度函數(shù)導出的各類型熱電偶分度表，以1 ℃為間隔給出對應的電動勢值。

附錄B：給出了熱電偶的反函數(shù)。

附錄C：給出了根據(jù)溫度范圍和環(huán)境條件，選用適當?shù)臒犭娕嫉慕ㄗh。

3 修訂前后的主要變化

新版標準在實施時，應當注意與前一版本的差異。新版標準的主要變化如下。

3.1 結構變化

①將GB/T 16839.1-1997《熱電偶 第1部分：分度表》和GB/T 16839.2-1997《熱電偶 第2部分：允差》兩個部分進行了合并，發(fā)布后將替代這兩個部分標準。

②改變了分度函數(shù)與分度表的主次關系，調整了兩者在標準中的位置。即分度函數(shù)列入正文，由分度函數(shù)導出的分度表則放在附錄A中。

這一點是與所有過去的分度表標準有重大區(qū)別的。以前所有的熱電偶分度表標準中分度表是基礎，分度函數(shù)是為使用方便而給出的附件，標準名稱的重點也是“分度表”。這版標準把分度函數(shù)與分度表的地位反轉了，分度函數(shù)是基礎，分度表是方便查閱的附件。因此，標準的名稱也不再叫“分度表”了。

為什么要嚴格分清分度函數(shù)與分度表之間的主次關系呢？因為分度表受有效數(shù)字的限制，會與分度函數(shù)之間存在微小的截斷誤差。這個誤差必須說明是誰對誰的誤差。現(xiàn)在明確，這個誤差是分度表對分度函數(shù)的誤差。

另外，標準附錄B的反函數(shù)都標明了每段函數(shù)的誤差，而分度函數(shù)并沒有給出誤差。這里要理清一個概念，允差所允許的偏差是熱電偶實際讀出值相對于分度函數(shù)的偏差，因此分度函數(shù)就是那個參照值，它在允差的范疇內(nèi)是無誤差的。附錄B所列誤差，正是反函數(shù)的計算值與分度函數(shù)之差。

③刪除了由反函數(shù)導出的反分度表。

3.2 增加A型及C型熱電偶

C型熱電偶依據(jù)的原始標準是ASTM E20 溫度測量技術委員會制定的ASTM E988-1996鎢錸熱電偶分度表。該標準規(guī)定了2種鎢錸熱電偶。2000年，ASTM E1751-2000無字母代號熱電偶分度表[4]又增加了一種鎢錸熱電偶。2003年，ASTM把3種鎢錸熱電偶中的一種給予字母代號“C”，放到ASTM E230標準化熱電偶分度表[5]中(該標準現(xiàn)行為2017版)，另外2種則在2009年放到ASTME 1751中(該標準現(xiàn)行為2015版)。這樣就覆蓋了ASTME 988所規(guī)定的2種熱電偶。IEC 60584-1第3版中，C型的溫度-電動勢關系是沿用了ASTM E230-12的規(guī)定。

關于C型的允差，新版標準給出的是426～2 315 ℃溫度段的2級允差，沒有規(guī)定低溫段允差。實際上ASTME 988和當前的ASTME 230在低溫段是有允差的，兩者以英制單位℉為基礎，允差表達為8 ℉(4.4 ℃)或1%測量值。這兩段的結合點在800 ℉，即426 ℃。測溫上限是4 200℉，即2 315 ℃。

C型熱電偶是可以有低溫段允差的。我國現(xiàn)行的鎢錸熱電偶相關標準中都規(guī)定了低溫段允差。其中，GB/T 29822-2013《鎢錸熱電偶絲及分度表》[6]采用ASTM E 230(或沿用ASTME 988)的規(guī)定，但將高低溫段的轉折點移到400 ℃，因此低溫段的允差比美國的標準稍小，是4 ℃。JB/T 12529-2015《工業(yè)鎢錸熱電偶技術條件》[7]則參考了GB/T 29822-2013的規(guī)定，但只規(guī)定了2級允差(實際上GB/T 29822的1級允差缺乏合理性。由于鎢錸熱電偶的測量不確定度很大，1級熱電偶的合格率、可靠性等尚存疑問)。為便于對照，本文給出了我國鎢錸熱電偶相關標準與國際標準的允差對比，如表2所示。

表2 鎢錸熱電偶相關標準允差對比

A型熱電偶來自俄國標準GOST R 8.585-2001 State system for ensuring the uniformity of measurements. Thermocouples. Nominal static characteristics of conversion[8]。該標準規(guī)定的測量上限是2 500 ℃，允差是0.5%測量值。這個指標看起來很好，但是負責修訂IEC 60584的IEC SC65B/WG5工作組討論后發(fā)現(xiàn)，實際上俄國給出的A型熱電偶有3張比較接近的分度表，熱電偶生產(chǎn)出以后，通過標定再決定使用3張中的哪一張，這時與之對應的分度表允差是0.5%測量值。而這對使用和更換熱電偶來說非常不便。因此WG5工作組要求俄國必須合并分度表，并且通過試驗確定對新的統(tǒng)一分度表的允差。當時要求進行國際比對試驗，最終俄國、美國提供了試驗，但只做了1 000～1 600 ℃溫度段的試驗。然后俄國就以3張分度表比較靠中間的那張作為統(tǒng)一分度表，同時將允差擴大到1%測量值，保留了高于美國的上限溫度2 500 ℃。這樣A型熱電偶基本可以達到要求(能否穩(wěn)定的批量的達到要求并不確定)。

最后，WG5工作組的認為，這兩種熱電偶大多數(shù)時間都用于高溫。C、A型熱電偶屬于難溶金屬熱電偶，不用于氧化氣氛，因此使用時需要特殊保護。C、A型熱電偶在低溫時的允差太大，因此除極個別情況外，不會用它們測低溫；哪怕是連續(xù)測量情況，低溫下也僅用于監(jiān)測，無需達到很小的允差。因此WG5工作組就將允差簡化了，不再在IEC 60584.1-2013中給出C、A型熱電偶的低溫允差。

3.3 修改K型熱電偶上限溫度

由1 370 ℃降低為1 300 ℃。實際上，K型熱電偶的應用溫度最高值為1 260 ℃左右。由于N型熱電偶負極的熔點在1 320 ℃左右，因此，它的分度表上限溫度只能到1 300 ℃。一些專家認為，K型熱電偶的分度表上限溫度比N型熱電偶高70 ℃，可能會使用戶感覺K型熱電偶更適合高溫。為避免誤解，將K型和N型熱電偶的分度表上限溫度統(tǒng)一，這也符合實際應用情況。

3.4 為方便使用增加的內(nèi)容

①增加了表13 ITS-90固定點熱電偶電動勢及賽貝克系數(shù)，列出在ITS-90定義固定點的熱電數(shù)據(jù)(電動勢和塞貝克系數(shù))。在分度表中增加了每10 ℃間隔的塞貝克系數(shù)值。

②增加了附錄C：各種類型熱電偶的使用上限溫度和不同環(huán)境條件下的使用建議。使用時要注意表中推薦性語氣程度的不同，例如“適用于”“可用于”“宜”等?！把趸?、還原、惰性、真空”四個詞的先后順序，表明優(yōu)先級不同。

4 對IEC版本中錯誤的修正

新版標準在修訂過程中，發(fā)現(xiàn)了IEC版本存在的幾處錯誤。在保持等同采標的前提下，對其進行了編輯性修改。

①修改了2.1 Thermoelectric effect/Seebeck effect的定義。原定義為“production of an electromotive force(EMF)due to a temperature gradient along a conductor”，譯為“導體上因存在溫度梯度而產(chǎn)生電動勢”。這是“湯姆遜效應”而非“塞貝克效應”的定義，后者應發(fā)生在兩種不同導電材料構成的閉合回路中，而非一種導體中。因此參考GB/T 25475 溫度儀表術語，將定義修改為“在兩種不同導體構成的閉合回路中，由于兩個接點的溫度不同而產(chǎn)生電動勢(electromotive force,EMF)的現(xiàn)象。

②附錄B中的反函數(shù)公式，對“t90”的注釋為符號“T”，現(xiàn)更正為“t90”。

③表C.2“ RP，SP，RN，SN，BP，BN”一欄中，第三行和第四行重復了，屬于編輯性錯誤，刪除其中一行。

5 注釋的變化

除上述變化之外，為了便于國標的使用，在等同采用IEC標準的原則下，增加和刪除了幾處注釋，具體如下。

①在表1中，保留了GB/T 16839.1-1997[7]中的注；根據(jù)中國的情況，對“字母標志”、“銅鎳”、“鎳鋁”進行了注釋，作為表1的腳注。腳注如下。

a熱電偶類型的字母標志也稱分度號。

bJ、T和E型熱電偶的負極“銅鎳”也稱為“康銅”。

cK型熱電偶的負極也常用“鎳硅”，但一般不能與N型熱電偶的負極互換。

給出這三條注釋的理由如下。

我國從20世紀60年代初起，一直將熱電偶的字母代號稱為“分度號”。20世紀80年代等同采用IEC標準時，為避免代表熱電偶類型的字母標志被混淆為類似“產(chǎn)品型號”，加注說明其是“分度號”。

對于熱電偶名稱，IEC是分別用正負極名義成分的元素名稱來命名的，國內(nèi)也基本如此。但J、T和E型的負極，國內(nèi)除稱為“銅鎳”外還常稱為“康銅”?？点~是“constantan”一詞的音譯，該詞在美國ASTM和ANSI標準中是常用的?！癱onstantan”原本是公司的商品名稱，在國際標準以及我國國家標準中不允許以商品名稱或品牌作為術語。但是為了避免與行業(yè)慣例沖突，國內(nèi)的各種術語標準中，都把J、T和E型熱電偶的負極記為“銅鎳(康銅)”，因此在不違背基本原則的基礎上，加注進行了說明。

IEC把K型熱電偶負極名稱為鎳鋁。國際通用的K型熱電偶負極產(chǎn)品有鎳鋁合金和鎳硅合金兩類。大部分國產(chǎn)K型熱電偶負極的主要成分是鎳和硅，只有少量企業(yè)生產(chǎn)名義成分為鎳、鋁的K型負極，國內(nèi)進口的K型熱電偶則兩種都有。因此，國內(nèi)K型熱電偶的負極為鎳硅居多。結合這種實際情況，同樣在不違背IEC命名原則的基礎上加注說明。

②表C.2和C.3下方關于版權的聲明，其中的引用文件ASTM STP 470A有新版，因此對該版本的最新版本進行了加注說明。470A是最原始的版本，之后是470B，以及90溫標實施后的最新版本：ASTM MNL-12 Manual on the Use of Thermocouples in Temperature Measurement，1993。標準參考文獻里列的則是470B。

③IEC引言中的腳注1、參考文獻中的腳注3和腳注4，根據(jù)國家標準的要求，沒有必要保留，作刪除處理。

6 標準相關的思考和建議

6.1 我國熱電偶標準化歷程

GB/T 16839標準的歷次發(fā)布，實際上代表了我國熱電偶產(chǎn)品的發(fā)展脈絡。20世紀80年代中期起，重慶儀表材料研究所帶領我國各家熱電偶絲材生產(chǎn)企業(yè)，就我國采用IEC的熱電偶分度表方面作了全面的攻關。1990年，國際溫標(ITS-90)正式公布以后，熱電偶的電動勢-溫度關系稍有變化，上海工業(yè)自動化儀表研究所預計到熱電偶分度表會有一些變動，從1991年起就開始積極準備，并響應國際溫度咨詢委員會(CCT)的要求，參加了對S型熱電偶在ITS-90的分度特性研究的國際合作。期間對國產(chǎn)S型熱電偶在ITS-90下0～960 ℃的分度特性作了大量測試，并提交了我國數(shù)據(jù)。最后在8個國家研究所的研究結果基礎上，導出了新的S型熱電偶的分度函數(shù)。而T、K、N、J型熱電偶新的函數(shù)是據(jù)S型熱電偶分度函數(shù)的變化，由NIST對原來的分度函數(shù)作數(shù)學修正而得出。其后，在IEC 60584進行修訂時，沿用了這一研究成果，并在IEC 60584-1:1995的前言中說明了這一情況。因此實際上該標準中公布的熱電偶新分度表，已經(jīng)反映了我國熱電偶的情況。

IEC 60584-1：1995發(fā)布時，我國認為已經(jīng)完全有條件對其等同采用。GB/T 16839.1-1997很快便發(fā)布，確定了國家標準與國際標準等同的一致性對應關系，兩者在技術內(nèi)容上完全一致。此次對IEC 60584-1：2013的等同采用，也是建立在此基礎之上。

6.2 允差與準確度

通常儀表按準確度來劃分等級。熱電偶類產(chǎn)品不同，熱電偶傳感器按允差來劃分，帶熱電偶傳感器的顯示儀表、變送器則按準確度來劃分。這牽涉到熱電偶允差的定義。熱電偶允差是指參考端溫度為0 ℃所測得值偏離熱電偶分度表的允許范圍。這與準確度的定義不同：準確度是被測量的測得值與其真值之間的一致程度(JJF 1001-2011 5.8/VIM 2.13)。簡而言之，熱電偶允差針對測得值與分度表之間的偏離；準確度是針對測得值與真值(ITS90)的偏離。

這提示我們分度表與t90真值之間實際存在偏差。當然這個偏差遠小于熱電偶的允差，通常當這個偏差小于1/3允差時，就認為可以忽略。

現(xiàn)在有些生產(chǎn)熱電偶的企業(yè)一味標榜產(chǎn)品允差小，不僅要達到1級，還要達到0.5級甚至更小，沒有太大意義。越靠近分度表并不意味著越接近t90。這和要求產(chǎn)品應當提升性能以達到更高的準確度等級，是兩種概念。

同時要提醒智能溫度變送器的用戶，一味減小變送器的的量程,不一定能改善測量準確度，還應當考慮熱電偶傳感器的因素。

6.3 常用熱電偶分度表的種類

自1977年IEC 60584-1統(tǒng)一7種有字母代號的標準化熱電偶以來，世界各國的熱電偶都采用IEC標準，但是有些國家還保留了幾種與IEC的標準化熱電偶接近、但略有不同的其他類型熱電偶。這些遺留類型的熱電偶到現(xiàn)在已經(jīng)很少見了。

到IEC 60584-1第三版時，有字母代號的標準化熱電偶已經(jīng)擴展到10種。雖然這10種熱電偶可以覆蓋工業(yè)自動化的絕大部分應用，但還有一些熱電偶常常被用到，這就是ASTM E1751給出的10種無字母代號熱電偶。IEC 對其中的2種制定了IEC 60460:2008 純金屬組合熱電偶分度表，我國已經(jīng)將其轉化為GB/T 30120-2013 純金屬組合熱電偶分度表。ASTM E1751中剩余的8種熱電偶，其中7種由GB/T 30090-2013 無字母代號熱電偶分度表予以轉化，唯一未包括在GB/T 30090中的是D型熱電偶。因為國家標準對國際標準的轉化通常在時間上有所滯后。這樣GB/T 16839.1、GB/T 30120和GB/T 30090 3個國家標準共提供了19種常用熱電偶的分度表，可以滿足我國企業(yè)在工業(yè)生產(chǎn)和技術引進中的大部分需要。

7 結束語

通過對新版GB/T 16839.1修訂的解讀以及相關國際、國內(nèi)標準化歷史的介紹，有助于熱電偶相關廠家

和用戶加深對該標準的理解，促進熱電偶的生產(chǎn)、選型和使用。對重要標準進行解讀和宣貫，是使標準的引領作用得到有效發(fā)揮、以標準推動行業(yè)發(fā)展的良好渠道。