拉伸試驗機加熱爐校準方法的探討及校準結果的不確定度評定

王海濤 周原 王榮雙

【摘要】 本文對從原理、校準用標準器、校準過程中的注意事項等方面對拉伸試驗機加熱爐校準方法進行了探討，并對校準結果的不確定度進行了分析。

【關鍵詞】 拉伸試驗機加熱爐;校準;不確定度

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2021.04.020

Discussion on Calibration Method of Heating Furnace of Tensile Testing Machine and Evaluation of Uncertainty

WANG Hai-tao1，ZHOU Yuan2，WANG Rong-shuang2

（1.Liaoning Institute of Measurement，Shenyang 110004，China;

2.Haibin Electric Corporation Heavy Equipment Co.，Ltd.，Qinhuangdao 066000，China）

Abstract： The calibration method of the heating furnace of the tensile testing machine was discussed from the aspects of principle，calibration standard， and the precautions in the calibration process，and the uncertainty of the calibration results wasanalyzed.

Key words： heating furnace of tensile testing machine;calibration;uncertainty

金屬材料在高溫下持續受力工作，性能會發生一定變化，通常表現為蠕變、松弛、熱疲勞，甚至可能發生持久斷裂。因此，高溫下短時拉力所測得的性能就成為衡量材料力學性能的重要指標。有時為了確定熱加工的工藝，也需要測定材料在熱加工溫度下的短時拉伸性能力。高溫拉伸試驗也叫高溫短時拉伸試驗，高溫短時拉伸試驗特點是：試驗可以在普通的拉力試驗機或萬能材料試驗機上進行，但需附加加熱與測溫裝置及耐高溫的試樣夾具及引伸計。[1]

1 概述

拉伸試驗機加熱爐是拉伸試驗的關鍵設備之一，其控溫精度、波動度、溫度梯度對試驗結果具有至關重要的影響。加熱爐主要由控溫裝置，傳感器、外殼、保溫材料、加熱絲或加熱棒等部分組成，目前主流的加熱爐均采用三段式加熱，加熱絲分為上段，中段，下段。[2]三組控溫熱電偶沿軸向以爐體中心為中點均勻分布。如圖1所示。

2 加熱爐校準方法及注意事項

根據GB/T 2039-2012《金屬材料 單軸拉伸蠕變試驗方法》[3]，高溫拉伸試驗機規定溫度的顯示偏差和梯度一般不超過表1要求。測量中，如發現指標超出要求需要對儀表或者加熱爐本身進行修正或維修。

校準加熱爐的傳感器一般選用經過校準的Ⅰ級廉金屬熱電偶，電測儀表一般采用過程校驗儀或者巡檢儀，為了保證校準結果可信，整套設備不確定度一般不應超過1.0 ℃。校準時采用5支熱電偶沿軸向同時測量，一般按照圖2方法布置測量點。如圖2所示，其中三支熱電偶的測量點與控溫偶一致，另外一支延長線方向。需要注意的是，由于高溫時輻射熱會對溫度測量產生一定影響，因此，一般采取石棉線或者耐高溫膠帶固定測溫熱電偶，避免熱電偶直接接受加熱絲熱輻射，引起測量誤差。同時為了更準確的反應溫度梯度，單次測量中，應盡量在最短的時間內掃描所有的熱電偶。

3 不確定分析

3.1 數學模型

[δt=T-T]

式中：[δt]——溫度偏差，℃;

[T]——熱電偶測得實際溫度的平均值，℃;

[T]——控溫系統顯示溫度平均值，℃。

合成方差和靈敏系數

[u2c=[c1u（T）]2+][[c2][u]（T）]2

其中：[c1=?δt?T=1]，[c2=?δt?T=-1]。故：

[u2c=][u2（T）]+[u2（T）]

3.2 計算溫度偏差的不確定度

3.2.1 輸入量[T]引入的不確定度[u（T）]

3.2.1.1 輸入量[T]重復測量引入的不確定度[u（T1）]

在拉伸爐校準溫度為800 ℃時，測溫儀器在得到最高平均值的測溫點讀取溫度值，共計20次。測量值及計算結果見表3，屬A類不確定度分量，服從正態分布。

平均值的標準不確定度：

[u（T1）=S（T）÷20=0.20] ℃

3.2.1.2 溫度校準裝置修正值引入的不確定度[u（tx1）]

校準證書中可知，溫度校準裝置修正值的擴展不確定度1.0 ℃（[k=]2），標準不確定度為：

[u（T2）=0.50] ℃

輸入量[T]的合成不確定度[u（T）]為：

[u（T）=u2（T1）+u2（T2）=0.54] ℃

3.2.2 輸入量T引入的不確定度[u（T）]

輸入量T引入的不確定度主要是由溫控系統的分辨力引入的[u（T）]，被校拉伸試驗爐的分辨力為0.1 ℃，區間半寬為0.05 ℃，服從均勻分布，k=3，其標準不確定度為：

[u（T）=0.029] ℃

3.2.3 合成標準不確定度

[uc=u2（T）+u2（T）=0.062] ℃

3.3 溫度偏差測量結果的擴展不確定度

[U=kuc=2×0.062=1.3] ℃

4 結語

拉伸試驗機加熱爐溫度準確與否，對材料試驗結果的準確性至關重要。本文對拉伸試驗機加熱爐校準方法以及校準中應注意的事項進行了探討，為試驗人員的提供了經驗。本文同時對測量結果的不確定度進行了評定，為溫度參數對試驗結果影響評價具有一定的借鑒意義。

【參考文獻】

[1]??? 周帥.蠕變（持久）試驗機用高溫爐的研制[D].沈陽：東北大學，2011.

[2]??? 吳安民，張志華，邱鵬，等.持久蠕變試驗用高溫加熱爐的改造[J].工程與試驗，2016（3）：66-69.

[3]??? 金屬材料 單軸拉伸蠕變試驗方法：GB/T 2039-2012[S].

【作者簡介】

王海濤（1985-），男，高級工程師，碩士，研究方向為溫度專業相關檢定、校準、檢測等。