热电偶电动势规范和允差国家标准修订解读

肖红练

(上海工业自动化仪表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

热电偶分度表及允差的现行国家标准GB/T 16839.1-1997《热电偶第1部分：分度表》[1]和GB/T 16839.2-1997《热电偶第2部分：允差》[2]，是热电偶标准中重要的基础标准。它们所等同采用的国际标准IEC 60584[3]已于2013年发布新版本。IEC/SC65B的国内技术对口单位全国工业测量控制和自动化标准化技术委员会第一分技术委员会(SAC/TC124/SC1)以IEC 60584-1：2013为基础，组织实施了对GB/T 16839.1-1997和GB/T 16839.2-1997的修订工作。该项工作已于2017年完成。新版国家标准正待发布，其名称为《热电偶第1部分：电动势规范和允差》。

1 我国标准与IEC 60584的对应关系

新版国家标准及该标准的历次版本与IEC标准的对应关系如表1所示。

表1 我国标准与IEC标准的对应关系

2 新版GB/T 16839.1的主要内容

2.1 10种类型热电偶分度函数

新版标准涵盖了10种类型热电偶：铂铑13%/铂(R型)；铂铑10%/铂(S型)；铂铑30%/铂铑6%(B型)；铁/铜镍(J型)；铜/铜镍(T型)；镍铬/铜镍(E型)；镍铬/镍铝(K型)和镍铬硅/镍硅(N型)、钨铼5%/钨铼26%(C型)、钨铼5%/钨铼20%(A型)。

R、S、B、J、T、E、K及N型热电偶的分度多项式与GB/T 16839.1-1997相比，没有变化。分度多项式最初是由美国国家标准与技术研究院(national institute of standards and technology, NIST)计算得出，并在1993年NIST第175号专题报告中进行了详细叙述。

另2种C型和A型热电偶，虽然在工业中应用已久，且企业也早就给了C型热电偶字母标志，但正式纳入IEC标准，给予字母标志还是首次。

我国从ZB Y300-1985《工业热电偶分度表和允差》起，工业热电偶按IEC国际标准生产，并重新指定S、B、E、K、R、J、T这7种标准化热电偶的字母标志(这之前采用前苏联标准的字母标志)。20世纪六七十年代时，钨铼热电偶作为难熔金属热电偶，在高温范围得到应用。美国于1984年起陆续编制了3种钨铼热电偶的统一分度表。由于美国通常采用给钨铼热电偶加耐高温甚至耐氧化外套的方式使用，因此非常昂贵，多半使用在特殊场合。虽然它们编制了3种分度表，但是总体使用量并不多。前苏联编制了另外的钨铼热电偶分度表。

我国不同行业分别采用前苏联标准或美国标准生产和使用钨铼热电偶，并从1986年起逐步将美国材料与试验协会(American society for testing and materials, ASTM)标准转化为相关的国家或行业标准。结合其耐高温、价格便宜等优点，我国开展了代替贵金属生产快速热电偶的研究，并取得成功。自此，钨铼热电偶在国内的应用逐渐扩展。由于钨是我国特产金属，钨铼热电偶在我国价格比较便宜。我国应用钨铼热电偶普遍采用一次性或弱保护的短寿命使用方式，因此钨铼热电偶的消耗量大。俄国的钨铼热电偶生产量也较大，主要出口到中国。目前，我国工业系统较多使用C型和D型(D型是企业指定字母代号，而非标准指定代号)热电偶，军工系统会用一些A型热电偶，所以国内也有将D型热电偶加入IEC标准的呼声。

各种钨铼热电偶的特性接近。对于工业产品而言，从标准化的角度，应该尽量减少相近产品的品种。A型热电偶由于将工业热电偶的测温上限升到了2 500 ℃，才在IEC标准中赢得一席之地，但是对其加入还是给出了许多要求。目前的A型热电偶与原俄国标准是不完全相同的。总之，本次C型和A型纳入IEC标准，对钨铼热电偶的使用是一种促进；仅纳入C型、A型热电偶而忽略另外2种钨铼热电偶，以促进钨铼热电偶的进一步标准化。

2.2 热电偶允差

新版标准规定了按该标准要求进行制造的热电偶应满足的允差要求，并声明这些允差值适用于新偶丝，不适用于使用中产品的漂移校准。

热电偶使用一段时间以后，因其使用过程中的不确定性，例如污染、热电极高温挥发、氧化还原、脆化、热应力、磁学特性的相变等，使分度值随着时间、使用条件和受热经历的不同而发生变化。若对使用中的热电偶进行标定，需先进行退火，以消除电极中的内应力，使偶丝状态比较接近新偶丝。但由于漂移始终存在，而漂移是热电偶的另一项技术指标，因此本标准允差仅针对新偶丝。对于使用中的偶丝，可由制造方与使用方另行协商。

2.3 附录

附录A：给出了从分度函数导出的各类型热电偶分度表，以1 ℃为间隔给出对应的电动势值。

附录B：给出了热电偶的反函数。

附录C：给出了根据温度范围和环境条件，选用适当的热电偶的建议。

3 修订前后的主要变化

新版标准在实施时，应当注意与前一版本的差异。新版标准的主要变化如下。

3.1 结构变化

①将GB/T 16839.1-1997《热电偶 第1部分：分度表》和GB/T 16839.2-1997《热电偶 第2部分：允差》两个部分进行了合并，发布后将替代这两个部分标准。

②改变了分度函数与分度表的主次关系，调整了两者在标准中的位置。即分度函数列入正文，由分度函数导出的分度表则放在附录A中。

这一点是与所有过去的分度表标准有重大区别的。以前所有的热电偶分度表标准中分度表是基础，分度函数是为使用方便而给出的附件，标准名称的重点也是“分度表”。这版标准把分度函数与分度表的地位反转了，分度函数是基础，分度表是方便查阅的附件。因此，标准的名称也不再叫“分度表”了。

为什么要严格分清分度函数与分度表之间的主次关系呢？因为分度表受有效数字的限制，会与分度函数之间存在微小的截断误差。这个误差必须说明是谁对谁的误差。现在明确，这个误差是分度表对分度函数的误差。

另外，标准附录B的反函数都标明了每段函数的误差，而分度函数并没有给出误差。这里要理清一个概念，允差所允许的偏差是热电偶实际读出值相对于分度函数的偏差，因此分度函数就是那个参照值，它在允差的范畴内是无误差的。附录B所列误差，正是反函数的计算值与分度函数之差。

③删除了由反函数导出的反分度表。

3.2 增加A型及C型热电偶

C型热电偶依据的原始标准是ASTM E20 温度测量技术委员会制定的ASTM E988-1996钨铼热电偶分度表。该标准规定了2种钨铼热电偶。2000年，ASTM E1751-2000无字母代号热电偶分度表[4]又增加了一种钨铼热电偶。2003年，ASTM把3种钨铼热电偶中的一种给予字母代号“C”，放到ASTM E230标准化热电偶分度表[5]中(该标准现行为2017版)，另外2种则在2009年放到ASTME 1751中(该标准现行为2015版)。这样就覆盖了ASTME 988所规定的2种热电偶。IEC 60584-1第3版中，C型的温度-电动势关系是沿用了ASTM E230-12的规定。

关于C型的允差，新版标准给出的是426～2 315 ℃温度段的2级允差，没有规定低温段允差。实际上ASTME 988和当前的ASTME 230在低温段是有允差的，两者以英制单位℉为基础，允差表达为8 ℉(4.4 ℃)或1%测量值。这两段的结合点在800 ℉，即426 ℃。测温上限是4 200℉，即2 315 ℃。

C型热电偶是可以有低温段允差的。我国现行的钨铼热电偶相关标准中都规定了低温段允差。其中，GB/T 29822-2013《钨铼热电偶丝及分度表》[6]采用ASTM E 230(或沿用ASTME 988)的规定，但将高低温段的转折点移到400 ℃，因此低温段的允差比美国的标准稍小，是4 ℃。JB/T 12529-2015《工业钨铼热电偶技术条件》[7]则参考了GB/T 29822-2013的规定，但只规定了2级允差(实际上GB/T 29822的1级允差缺乏合理性。由于钨铼热电偶的测量不确定度很大，1级热电偶的合格率、可靠性等尚存疑问)。为便于对照，本文给出了我国钨铼热电偶相关标准与国际标准的允差对比，如表2所示。

表2 钨铼热电偶相关标准允差对比

A型热电偶来自俄国标准GOST R 8.585-2001 State system for ensuring the uniformity of measurements. Thermocouples. Nominal static characteristics of conversion[8]。该标准规定的测量上限是2 500 ℃，允差是0.5%测量值。这个指标看起来很好，但是负责修订IEC 60584的IEC SC65B/WG5工作组讨论后发现，实际上俄国给出的A型热电偶有3张比较接近的分度表，热电偶生产出以后，通过标定再决定使用3张中的哪一张，这时与之对应的分度表允差是0.5%测量值。而这对使用和更换热电偶来说非常不便。因此WG5工作组要求俄国必须合并分度表，并且通过试验确定对新的统一分度表的允差。当时要求进行国际比对试验，最终俄国、美国提供了试验，但只做了1 000～1 600 ℃温度段的试验。然后俄国就以3张分度表比较靠中间的那张作为统一分度表，同时将允差扩大到1%测量值，保留了高于美国的上限温度2 500 ℃。这样A型热电偶基本可以达到要求(能否稳定的批量的达到要求并不确定)。

最后，WG5工作组的认为，这两种热电偶大多数时间都用于高温。C、A型热电偶属于难溶金属热电偶，不用于氧化气氛，因此使用时需要特殊保护。C、A型热电偶在低温时的允差太大，因此除极个别情况外，不会用它们测低温；哪怕是连续测量情况，低温下也仅用于监测，无需达到很小的允差。因此WG5工作组就将允差简化了，不再在IEC 60584.1-2013中给出C、A型热电偶的低温允差。

3.3 修改K型热电偶上限温度

由1 370 ℃降低为1 300 ℃。实际上，K型热电偶的应用温度最高值为1 260 ℃左右。由于N型热电偶负极的熔点在1 320 ℃左右，因此，它的分度表上限温度只能到1 300 ℃。一些专家认为，K型热电偶的分度表上限温度比N型热电偶高70 ℃，可能会使用户感觉K型热电偶更适合高温。为避免误解，将K型和N型热电偶的分度表上限温度统一，这也符合实际应用情况。

3.4 为方便使用增加的内容

①增加了表13 ITS-90固定点热电偶电动势及赛贝克系数，列出在ITS-90定义固定点的热电数据(电动势和塞贝克系数)。在分度表中增加了每10 ℃间隔的塞贝克系数值。

②增加了附录C：各种类型热电偶的使用上限温度和不同环境条件下的使用建议。使用时要注意表中推荐性语气程度的不同，例如“适用于”“可用于”“宜”等。“氧化、还原、惰性、真空”四个词的先后顺序，表明优先级不同。

4 对IEC版本中错误的修正

新版标准在修订过程中，发现了IEC版本存在的几处错误。在保持等同采标的前提下，对其进行了编辑性修改。

①修改了2.1 Thermoelectric effect/Seebeck effect的定义。原定义为“production of an electromotive force(EMF)due to a temperature gradient along a conductor”，译为“导体上因存在温度梯度而产生电动势”。这是“汤姆逊效应”而非“塞贝克效应”的定义，后者应发生在两种不同导电材料构成的闭合回路中，而非一种导体中。因此参考GB/T 25475 温度仪表术语，将定义修改为“在两种不同导体构成的闭合回路中，由于两个接点的温度不同而产生电动势(electromotive force,EMF)的现象。

②附录B中的反函数公式，对“t90”的注释为符号“T”，现更正为“t90”。

③表C.2“ RP，SP，RN，SN，BP，BN”一栏中，第三行和第四行重复了，属于编辑性错误，删除其中一行。

5 注释的变化

除上述变化之外，为了便于国标的使用，在等同采用IEC标准的原则下，增加和删除了几处注释，具体如下。

①在表1中，保留了GB/T 16839.1-1997[7]中的注；根据中国的情况，对“字母标志”、“铜镍”、“镍铝”进行了注释，作为表1的脚注。脚注如下。

a热电偶类型的字母标志也称分度号。

bJ、T和E型热电偶的负极“铜镍”也称为“康铜”。

cK型热电偶的负极也常用“镍硅”，但一般不能与N型热电偶的负极互换。

给出这三条注释的理由如下。

我国从20世纪60年代初起，一直将热电偶的字母代号称为“分度号”。20世纪80年代等同采用IEC标准时，为避免代表热电偶类型的字母标志被混淆为类似“产品型号”，加注说明其是“分度号”。

对于热电偶名称，IEC是分别用正负极名义成分的元素名称来命名的，国内也基本如此。但J、T和E型的负极，国内除称为“铜镍”外还常称为“康铜”。康铜是“constantan”一词的音译，该词在美国ASTM和ANSI标准中是常用的。“constantan”原本是公司的商品名称，在国际标准以及我国国家标准中不允许以商品名称或品牌作为术语。但是为了避免与行业惯例冲突，国内的各种术语标准中，都把J、T和E型热电偶的负极记为“铜镍(康铜)”，因此在不违背基本原则的基础上，加注进行了说明。

IEC把K型热电偶负极名称为镍铝。国际通用的K型热电偶负极产品有镍铝合金和镍硅合金两类。大部分国产K型热电偶负极的主要成分是镍和硅，只有少量企业生产名义成分为镍、铝的K型负极，国内进口的K型热电偶则两种都有。因此，国内K型热电偶的负极为镍硅居多。结合这种实际情况，同样在不违背IEC命名原则的基础上加注说明。

②表C.2和C.3下方关于版权的声明，其中的引用文件ASTM STP 470A有新版，因此对该版本的最新版本进行了加注说明。470A是最原始的版本，之后是470B，以及90温标实施后的最新版本：ASTM MNL-12 Manual on the Use of Thermocouples in Temperature Measurement，1993。标准参考文献里列的则是470B。

③IEC引言中的脚注1、参考文献中的脚注3和脚注4，根据国家标准的要求，没有必要保留，作删除处理。

6 标准相关的思考和建议

6.1 我国热电偶标准化历程

GB/T 16839标准的历次发布，实际上代表了我国热电偶产品的发展脉络。20世纪80年代中期起，重庆仪表材料研究所带领我国各家热电偶丝材生产企业，就我国采用IEC的热电偶分度表方面作了全面的攻关。1990年，国际温标(ITS-90)正式公布以后，热电偶的电动势-温度关系稍有变化，上海工业自动化仪表研究所预计到热电偶分度表会有一些变动，从1991年起就开始积极准备，并响应国际温度咨询委员会(CCT)的要求，参加了对S型热电偶在ITS-90的分度特性研究的国际合作。期间对国产S型热电偶在ITS-90下0～960 ℃的分度特性作了大量测试，并提交了我国数据。最后在8个国家研究所的研究结果基础上，导出了新的S型热电偶的分度函数。而T、K、N、J型热电偶新的函数是据S型热电偶分度函数的变化，由NIST对原来的分度函数作数学修正而得出。其后，在IEC 60584进行修订时，沿用了这一研究成果，并在IEC 60584-1:1995的前言中说明了这一情况。因此实际上该标准中公布的热电偶新分度表，已经反映了我国热电偶的情况。

IEC 60584-1：1995发布时，我国认为已经完全有条件对其等同采用。GB/T 16839.1-1997很快便发布，确定了国家标准与国际标准等同的一致性对应关系，两者在技术内容上完全一致。此次对IEC 60584-1：2013的等同采用，也是建立在此基础之上。

6.2 允差与准确度

通常仪表按准确度来划分等级。热电偶类产品不同，热电偶传感器按允差来划分，带热电偶传感器的显示仪表、变送器则按准确度来划分。这牵涉到热电偶允差的定义。热电偶允差是指参考端温度为0 ℃所测得值偏离热电偶分度表的允许范围。这与准确度的定义不同：准确度是被测量的测得值与其真值之间的一致程度(JJF 1001-2011 5.8/VIM 2.13)。简而言之，热电偶允差针对测得值与分度表之间的偏离；准确度是针对测得值与真值(ITS90)的偏离。

这提示我们分度表与t90真值之间实际存在偏差。当然这个偏差远小于热电偶的允差，通常当这个偏差小于1/3允差时，就认为可以忽略。

现在有些生产热电偶的企业一味标榜产品允差小，不仅要达到1级，还要达到0.5级甚至更小，没有太大意义。越靠近分度表并不意味着越接近t90。这和要求产品应当提升性能以达到更高的准确度等级，是两种概念。

同时要提醒智能温度变送器的用户，一味减小变送器的的量程,不一定能改善测量准确度，还应当考虑热电偶传感器的因素。

6.3 常用热电偶分度表的种类

自1977年IEC 60584-1统一7种有字母代号的标准化热电偶以来，世界各国的热电偶都采用IEC标准，但是有些国家还保留了几种与IEC的标准化热电偶接近、但略有不同的其他类型热电偶。这些遗留类型的热电偶到现在已经很少见了。

到IEC 60584-1第三版时，有字母代号的标准化热电偶已经扩展到10种。虽然这10种热电偶可以覆盖工业自动化的绝大部分应用，但还有一些热电偶常常被用到，这就是ASTM E1751给出的10种无字母代号热电偶。IEC 对其中的2种制定了IEC 60460:2008 纯金属组合热电偶分度表，我国已经将其转化为GB/T 30120-2013 纯金属组合热电偶分度表。ASTM E1751中剩余的8种热电偶，其中7种由GB/T 30090-2013 无字母代号热电偶分度表予以转化，唯一未包括在GB/T 30090中的是D型热电偶。因为国家标准对国际标准的转化通常在时间上有所滞后。这样GB/T 16839.1、GB/T 30120和GB/T 30090 3个国家标准共提供了19种常用热电偶的分度表，可以满足我国企业在工业生产和技术引进中的大部分需要。

7 结束语

通过对新版GB/T 16839.1修订的解读以及相关国际、国内标准化历史的介绍，有助于热电偶相关厂家

和用户加深对该标准的理解，促进热电偶的生产、选型和使用。对重要标准进行解读和宣贯，是使标准的引领作用得到有效发挥、以标准推动行业发展的良好渠道。