熱熱電偶檢定爐的溫控滯后研究

摘要:針對(duì)在熱電偶檢定過(guò)程中使用傳統(tǒng)的檢定爐用均溫塊所導(dǎo)致的控溫滯后.恒溫時(shí)間長(zhǎng)、漏電及爐管彎曲等問(wèn)題,研制出不用均溫塊溫場(chǎng)也能滿足相關(guān)規(guī)范要求的多區(qū)加熱檢定爐，以提高檢測(cè)效率。根據(jù)JJF1184-2007《熱電偶檢定爐溫度場(chǎng)測(cè)試技術(shù)規(guī)范》對(duì)用均溫塊的傳統(tǒng)單區(qū)加熱檢定爐與不用均溫塊的多區(qū)加熱檢定爐的溫場(chǎng)分別進(jìn)行測(cè)試;再用熱電偶示值誤差試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。結(jié)果表明,在400~1000℃溫度范圍內(nèi)的各個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn),不用均溫塊的多區(qū)加熱檢定爐在軸向溫度場(chǎng)、徑向溫度場(chǎng)熱電偶示值誤差等各項(xiàng)測(cè)試中，指標(biāo)均優(yōu)于用均溫塊的傳統(tǒng)單區(qū)加熱檢定爐。
1.引言
　　廉金屬熱電偶廣泛應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防各領(lǐng)域,其示值穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確度至關(guān)重要。校準(zhǔn)廉金屬熱電偶通常使用比較法測(cè)量,并使用熱電偶檢定爐提供均勻穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。目前廉金屬熱電偶依據(jù)JJF1637--2017《廉金屬熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范》11進(jìn)行校準(zhǔn)，要求在600mm.熱電偶檢定爐中放置均溫塊以減小測(cè)量結(jié)果的不確定度。該方法依托于均溫塊材料的高導(dǎo)熱系數(shù)、低比熱容等物理特性,從而在爐管內(nèi)形成穩(wěn)定的均勻溫場(chǎng)。
　　通過(guò)對(duì)600mm管式熱電偶爐進(jìn)行附加均溫塊的溫場(chǎng)測(cè)量研究,表明在800C下,溫場(chǎng)在放置均溫塊后相較于未放置均溫塊有很大提高,不確定度改善約0.6℃。2010年12月國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布的JJF1262-2010《鎧裝熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范》中明確要求,在300℃以上的管式爐設(shè)備中應(yīng)配置均溫塊。通過(guò)對(duì)管式爐溫度場(chǎng)的試驗(yàn)與分析,闡述了均溫塊在提高管式爐溫場(chǎng)性能、改善熱電偶校準(zhǔn)結(jié)果準(zhǔn)確度方面的顯著作用,并對(duì)均溫塊在使用過(guò)程中的局限性進(jìn)行了探討。
　　對(duì)傳統(tǒng)單區(qū)加熱結(jié)構(gòu)的檢定爐附加均溫塊,可以起到提高溫場(chǎng)質(zhì)量的作用，使用后的溫場(chǎng)最大溫差通常<0.5℃,但是也會(huì)帶來(lái)控溫滯后、恒溫時(shí)間加長(zhǎng)、高溫漏電、降低工作效率等問(wèn)題,在實(shí)際工作中可操作性較差。
2概述
2.1檢定爐
　　檢定爐是熱電偶檢定系統(tǒng)中的恒溫溫度源，當(dāng)前在熱電偶的高溫區(qū)間檢定中尚沒(méi)有更合適的替代品。檢定爐多采用電阻爐的形式,通過(guò)電熱絲加熱產(chǎn)生熱量對(duì)爐膛進(jìn)行加熱從而在爐膛內(nèi)形成穩(wěn)定均勻的恒溫溫場(chǎng)。單區(qū)控溫檢定爐結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,主要由外殼、加熱器、控制器、保溫層、爐管、風(fēng)扇等組成。爐管及加熱器為檢定爐的核心工作部件,負(fù)責(zé)均勻溫場(chǎng)的形成;保溫層起隔熱保溫作用;控制器是檢定爐的主要電控設(shè)備。多區(qū)爐構(gòu)造如圖1(b)所示，與單區(qū)爐區(qū)別在于使用分段式加熱器,能夠?qū)唧w位置的加熱量進(jìn)行控制。
 
2.2均溫塊
　　熱電偶檢定爐專用均溫塊是采用高溫合金材料制作的均溫裝置,主要用于廉金屬熱電偶(特別是鎧裝廉金屬熱電偶)校準(zhǔn)使用,。檢定爐的溫場(chǎng)參數(shù)通常是在空載狀態(tài)下測(cè)得,而在熱電偶的校準(zhǔn)過(guò)程中,同時(shí)插人的多支熱電偶會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的軸向?qū)?導(dǎo)致溫場(chǎng)溫度梯度增大,有效溫場(chǎng)長(zhǎng)度減小等問(wèn)題。為應(yīng)對(duì)上述問(wèn)題,借助金屬優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，通過(guò)內(nèi)置均溫塊的方式提高檢定爐溫場(chǎng)的溫場(chǎng)質(zhì)量。隨著使用溫度的升高,均溫塊對(duì)溫場(chǎng)的改善效果也會(huì)更為明顯。
2.3試驗(yàn)?zāi)康?br /> 　　均溫塊的使用對(duì)于提升傳統(tǒng)單區(qū)加熱檢定爐溫場(chǎng)質(zhì)量效果顯著,但與此同時(shí)均溫塊的使用也帶來(lái)了一些問(wèn)題。首先是控溫滯后問(wèn)題,由于均溫塊的使用,檢定爐內(nèi)部負(fù)載增加,控溫難度隨之提升;其次在1000℃以上，剛玉材質(zhì)的爐管會(huì)變得松軟,質(zhì)量較大的均溫塊會(huì)導(dǎo)致?tīng)t管彎曲，影響正常使用;此外,800℃以上,絕緣材料的絕緣性能會(huì)大幅降低，繼而導(dǎo)致漏電等問(wèn)題的發(fā)生。
　　具有多區(qū)加熱結(jié)構(gòu)的檢定爐能夠通過(guò)調(diào)整各個(gè)加熱區(qū)的功率分配進(jìn)而對(duì)溫場(chǎng)分布進(jìn)行調(diào)整,相比單區(qū)加熱的檢定爐通常具有更優(yōu)的溫場(chǎng)特性。本文通過(guò)對(duì)未配置均溫塊的多區(qū)加熱檢定爐與配置均溫塊的單區(qū)加熱檢定爐進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，論證多區(qū)加熱結(jié)構(gòu)的檢定爐在檢定過(guò)程中是否必須使用均溫塊。
3試驗(yàn)儀器和設(shè)備
3.1檢定爐.
　　試驗(yàn)使用的檢定爐為新研發(fā)的多區(qū)加熱溫度校準(zhǔn)爐(以下簡(jiǎn)稱多區(qū)爐)和單區(qū)加熱PR320A熱電偶檢定爐(以下簡(jiǎn)稱單區(qū)爐),試驗(yàn)中PR320A檢定爐將配套PR1145A均溫塊使用。檢定爐參數(shù)如表1所示,圖2為檢定爐實(shí)物圖。
 
3.2高精度測(cè)溫儀
　　測(cè)溫儀有5路掃描通道、測(cè)量準(zhǔn)確度0.005級(jí)、測(cè)量靈敏度10nV/10μn,并可引用證書值或修正值對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行溫度溯源。
3.3恒溫槽
　　恒溫槽選用PR601-500熱管恒溫槽，使用溫度范圍為300~500℃,水平溫場(chǎng)最大溫度偏差0.03℃,垂直溫場(chǎng)最大偏差為0.05℃,溫度波動(dòng)性為0.04℃/10min,可提供400~500℃均勻溫場(chǎng)。本試驗(yàn)中用于熱電偶的低溫段校準(zhǔn)。
3.4自動(dòng)溫場(chǎng)測(cè)試裝置
　　測(cè)試使用軸向溫度場(chǎng)自動(dòng)測(cè)試裝置,此裝置為自行設(shè)計(jì)，最大有效行程600mm,可通過(guò)軟件設(shè)定判斷依據(jù)并自動(dòng)進(jìn)行軸向溫度場(chǎng)測(cè)量。
3.5溫度傳感器
　　本次試驗(yàn)使用的溫度標(biāo)準(zhǔn)器均在檢定周期內(nèi)，被檢熱電偶選用同批次、直徑8mm的鎧裝N型熱電偶,詳情如表2所示,表2中t代表溫度。
3.6零度恒溫器
　　本次使用的參考端恒溫器為PR540零度恒溫器。中心孔溫差準(zhǔn)確度為(0±0.03)℃,溫度波動(dòng)性為0.02℃/10min,最大孔間溫差為0.01℃。
 
4試驗(yàn)研究
4.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建
　　本次試驗(yàn)的主要測(cè)試項(xiàng)目包括負(fù)載條件下配置均溫塊的單區(qū)爐、未配置均溫塊的多區(qū)爐的軸向溫度場(chǎng)和各溫度點(diǎn)熱電偶示值誤差,以及空載條件下的徑向溫度場(chǎng)。要求測(cè)試過(guò)程符合JJF1184-2007《熱電偶檢定爐溫度場(chǎng)測(cè)試技術(shù)規(guī)范》141要求。試驗(yàn)環(huán)境:溫度18.5~22.5℃,相對(duì)濕度40%~55%。試驗(yàn)場(chǎng)景如圖3所示,通過(guò)測(cè)溫儀將固定偶與移動(dòng)偶采集到的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為溫度值。根據(jù)固定偶與移動(dòng)偶溫度差值確定檢定爐溫場(chǎng)分布。
 
4.2空載及負(fù)載條件下軸向溫度場(chǎng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)
　　軸向溫度場(chǎng)的測(cè)試對(duì)象是未配均溫塊的多區(qū)爐及配備均溫塊的單區(qū)爐。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有足夠的使用價(jià)值,分別對(duì)空載溫場(chǎng)及負(fù)載溫場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試。負(fù)載測(cè)試時(shí)使用4支N型鎧裝熱電偶作為負(fù)載,多區(qū)爐的溫場(chǎng)使用自動(dòng)溫場(chǎng)測(cè)試裝置從前部進(jìn)行測(cè)量，負(fù)載從后部插人。由于使用了杯狀均溫塊,單區(qū)爐溫場(chǎng)只能采用手工方式測(cè)量。
　　多區(qū)爐測(cè)試如圖4所示。其中,為與鎧裝熱電偶正常校準(zhǔn)過(guò)程插人深度保持一致,負(fù)載插人深度為320mm左右。測(cè)試溫度點(diǎn)為400、600、800、.1000℃共4個(gè)溫度點(diǎn),在所有測(cè)試過(guò)程中使用高鋁棉對(duì)爐口進(jìn)行封堵,并全程使用零度恒溫器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶進(jìn)行參考端補(bǔ)償。
　　測(cè)量過(guò)程中,固定偶放置于多區(qū)爐軸向“0mm'”中心點(diǎn)不動(dòng),移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偶插人中心測(cè)試定位管,可在-100~+100mm之間各點(diǎn)移動(dòng),為了盡量獲得更寬范圍內(nèi)的軸向溫度場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù),多區(qū)爐的溫場(chǎng)測(cè).量范圍為中心點(diǎn)±100mm。設(shè)定爐溫在測(cè)試溫度點(diǎn)，待爐溫穩(wěn)定性滿足要求后,分別測(cè)量固定偶與移動(dòng)偶熱電動(dòng)勢(shì)所對(duì)應(yīng)溫度值,測(cè)量順序?yàn)?100,-90,...+90,+100mm以此類推,往返一個(gè)循環(huán)，測(cè)試結(jié)果如表3所示。
 
　　由于單區(qū)爐使用杯狀均溫塊的限制,無(wú)法測(cè)量中心點(diǎn)±100mm的軸向溫度場(chǎng),采用手工方式測(cè)量了均溫塊底部起60mm范圍內(nèi)的溫度分布數(shù)據(jù),如圖5所示，該區(qū)域?qū)?yīng)多區(qū)爐-20~40mm位置,單區(qū)爐軸向溫度場(chǎng)測(cè)試結(jié)果如表4所示。
 
 
4.3熱電偶示值誤差實(shí)驗(yàn)對(duì)比
　　首先對(duì)4支N分度熱電偶在熱管恒溫槽中校準(zhǔn)400、500℃,標(biāo)準(zhǔn)器使用二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)。然后分別在帶均溫塊的單區(qū)爐及未配均溫塊的多區(qū)爐中校準(zhǔn)400、500、600、800、1000℃共5個(gè)溫度點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)器采用一等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電.偶,并全程采用零度恒溫器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偶及被檢偶做參考端補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。
 
4.4徑向溫度場(chǎng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)
　　我國(guó)對(duì)廉金屬偶檢定爐的技術(shù)要求包括軸向溫度場(chǎng)與徑向溫度場(chǎng)的測(cè)試。由于負(fù)載狀態(tài)下?tīng)t管內(nèi)插入多支鎧裝N型熱電偶,無(wú)法進(jìn)行徑向溫度場(chǎng)測(cè)試，此實(shí)驗(yàn)僅在空載情況下進(jìn)行。測(cè)試位置:帶均溫塊的單區(qū)爐在均溫塊底部進(jìn)行,未配均熱塊的多區(qū)爐在其幾何中心進(jìn)行。測(cè)試溫度點(diǎn)為400、700、1000℃共3個(gè)溫度點(diǎn),全程采用零度恒溫器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偶做參考段補(bǔ)償。測(cè)試使用PR1145A附帶定位塊進(jìn)行徑向定位,測(cè)試位置及實(shí)物如圖6所示;檢定爐徑向溫度場(chǎng)測(cè)試結(jié)果如表6所示。
 
4.5結(jié)果分析
　　為方便綜合比較，選取中心點(diǎn)±20mm范圍溫場(chǎng)進(jìn)行軸向溫度均勻性比較。圖7所示為空載溫場(chǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果,可以看出,即便不使用均溫塊,多區(qū)爐也有著較好的軸向溫度均勻性,在該范圍內(nèi)的最大溫差不超過(guò)0.2℃。傳統(tǒng)單區(qū)爐在使用均溫塊的情況下,最大溫差為0.8℃。
 
　　如圖8所示,在負(fù)載情況下,作為負(fù)載的鎧裝熱電偶帶來(lái)了較大的軸向?qū)?并使單區(qū)爐結(jié)構(gòu)劣勢(shì)被暴露，除1000℃以外的溫度點(diǎn),溫度梯度隨設(shè)定溫度降低越來(lái)越大,這是因?yàn)閱螀^(qū)爐在設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮在1000℃時(shí)獲得最佳的溫場(chǎng)分布特性,受制于固定的熱平衡結(jié)構(gòu),在其他溫度設(shè)定點(diǎn)無(wú)法保證充足的軸向溫度場(chǎng)。增加均溫塊后,其溫度平衡過(guò)程依靠被動(dòng)的熱傳導(dǎo),無(wú)法彌補(bǔ)負(fù)載-一端的散熱損失。從圖8可以看出,最高溫度點(diǎn)位置為杯式均溫塊底部位置,在非1000℃點(diǎn)時(shí),溫度隨位置的變化下降較多。
 
　　通過(guò)不同溫度源中4支N型熱電偶校準(zhǔn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,多區(qū)爐的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)于配備均溫塊的單區(qū)爐。熱電偶校準(zhǔn)偏差如圖9、圖10所示,其中的400℃及500℃偏差采用熱電偶在熱管恒溫槽中的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。
 
　　可以看出，試驗(yàn)的4支被校準(zhǔn)熱電偶在多區(qū)爐中的高溫部分的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可以較好地與熱管恒溫槽中的低溫段校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行銜接，線性及--致性均較好。但同樣的4支熱電偶在配備均溫塊的單區(qū)爐中的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與低溫段校準(zhǔn)數(shù)據(jù)組合后則存在明顯的非線性,且一致性較差。
5結(jié)論
　　從以上測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出,檢定爐自身的軸向溫度場(chǎng)均勻性至關(guān)重要,均溫塊的使用可以在一定程度上改善傳統(tǒng)單區(qū)檢定爐的溫場(chǎng)均勻性,但在負(fù)載測(cè)試過(guò)程中還是存在較大的溫度梯度。而具有多區(qū)加熱結(jié)構(gòu)的熱電偶檢定爐在不使用均溫塊的情況下，在較寬的溫度區(qū)間內(nèi),其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)完全可以達(dá)到并超過(guò)使用均溫塊的普通熱電偶檢定爐。因此,多區(qū)控溫校準(zhǔn)爐在溫場(chǎng)均勻性達(dá)到--定要求后，無(wú)需使用均溫塊也能滿足熱電偶的校準(zhǔn)要求。
　　同時(shí)也應(yīng)注意到，多區(qū)爐的制作工藝非常復(fù)雜，制造成本遠(yuǎn)高于單區(qū)爐,因此其普及難度較大。此外，更寬的溫場(chǎng)寬度意味著更長(zhǎng)的溫度平衡時(shí)間,如何平衡等待時(shí)間與校準(zhǔn)質(zhì)量也是多區(qū)爐使用過(guò)程中需斟酌的一個(gè)問(wèn)題。因此,使用者應(yīng)當(dāng)從實(shí)際的校準(zhǔn)需求出發(fā),綜合考慮準(zhǔn)確度、成本、效率,選擇符合校準(zhǔn)需求的熱電偶檢定爐。