熱熱電偶檢定爐的溫控滯后研究

摘要:針對在熱電偶檢定過程中使用傳統(tǒng)的檢定爐用均溫塊所導(dǎo)致的控溫滯后.恒溫時間長、漏電及爐管彎曲等問題,研制出不用均溫塊溫場也能滿足相關(guān)規(guī)范要求的多區(qū)加熱檢定爐，以提高檢測效率。根據(jù)JJF1184-2007《熱電偶檢定爐溫度場測試技術(shù)規(guī)范》對用均溫塊的傳統(tǒng)單區(qū)加熱檢定爐與不用均溫塊的多區(qū)加熱檢定爐的溫場分別進行測試;再用熱電偶示值誤差試驗進行對比驗證。結(jié)果表明,在400~1000℃溫度范圍內(nèi)的各個校準(zhǔn)點,不用均溫塊的多區(qū)加熱檢定爐在軸向溫度場、徑向溫度場熱電偶示值誤差等各項測試中，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)用在國民經(jīng)濟和國防各領(lǐng)域,其示值穩(wěn)定性和測量準(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量,并使用熱電偶檢定爐提供均勻穩(wěn)定的溫度場。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進行校準(zhǔn)，要求在600mm.熱電偶檢定爐中放置均溫塊以減小測量結(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。
　　通過對600mm管式熱電偶爐進行附加均溫塊的溫場測量研究,表明在800C下,溫場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月國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局發(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。通過對管式爐溫度場的試驗與分析,闡述了均溫塊在提高管式爐溫場性能、改善熱電偶校準(zhǔn)結(jié)果準(zhǔn)確度方面的顯著作用,并對均溫塊在使用過程中的局限性進行了探討。
　　對傳統(tǒng)單區(qū)加熱結(jié)構(gòu)的檢定爐附加均溫塊,可以起到提高溫場質(zhì)量的作用，使用后的溫場最大溫差通常<0.5℃,但是也會帶來控溫滯后、恒溫時間加長、高溫漏電、降低工作效率等問題,在實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)間檢定中尚沒有更合適的替代品。檢定爐多采用電阻爐的形式,通過電熱絲加熱產(chǎn)生熱量對爐膛進行加熱從而在爐膛內(nèi)形成穩(wěn)定均勻的恒溫溫場。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,負責(zé)均勻溫場的形成;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,。檢定爐的溫場參數(shù)通常是在空載狀態(tài)下測得,而在熱電偶的校準(zhǔn)過程中,同時插人的多支熱電偶會導(dǎo)致嚴(yán)重的軸向?qū)?導(dǎo)致溫場溫度梯度增大,有效溫場長度減小等問題。為應(yīng)對上述問題,借助金屬優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，通過內(nèi)置均溫塊的方式提高檢定爐溫場的溫場質(zhì)量。隨著使用溫度的升高,均溫塊對溫場的改善效果也會更為明顯。
2.3試驗?zāi)康?br /> 　　均溫塊的使用對于提升傳統(tǒng)單區(qū)加熱檢定爐溫場質(zhì)量效果顯著,但與此同時均溫塊的使用也帶來了一些問題。首先是控溫滯后問題,由于均溫塊的使用,檢定爐內(nèi)部負載增加,控溫難度隨之提升;其次在1000℃以上，剛玉材質(zhì)的爐管會變得松軟,質(zhì)量較大的均溫塊會導(dǎo)致爐管彎曲，影響正常使用;此外,800℃以上,絕緣材料的絕緣性能會大幅降低，繼而導(dǎo)致漏電等問題的發(fā)生。
　　具有多區(qū)加熱結(jié)構(gòu)的檢定爐能夠通過調(diào)整各個加熱區(qū)的功率分配進而對溫場分布進行調(diào)整,相比單區(qū)加熱的檢定爐通常具有更優(yōu)的溫場特性。本文通過對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)加熱檢定爐進行對比試驗，論證多區(qū)加熱結(jié)構(gòu)的檢定爐在檢定過程中是否必須使用均溫塊。
3試驗儀器和設(shè)備
3.1檢定爐.
　　試驗使用的檢定爐為新研發(fā)的多區(qū)加熱溫度校準(zhǔn)爐(以下簡稱多區(qū)爐)和單區(qū)加熱PR320A熱電偶檢定爐(以下簡稱單區(qū)爐),試驗中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為檢定爐實物圖。
 
3.2高精度測溫儀
　　測溫儀有5路掃描通道、測量準(zhǔn)確度0.005級、測量靈敏度10nV/10μn,并可引用證書值或修正值對測試結(jié)果進行溫度溯源。
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℃,水平溫場最大溫度偏差0.03℃,垂直溫場最大偏差為0.05℃,溫度波動性為0.04℃/10min,可提供400~500℃均勻溫場。本試驗中用于熱電偶的低溫段校準(zhǔn)。
3.4自動溫場測試裝置
　　測試使用軸向溫度場自動測試裝置,此裝置為自行設(shè)計，最大有效行程600mm,可通過軟件設(shè)定判斷依據(jù)并自動進行軸向溫度場測量。
3.5溫度傳感器
　　本次試驗使用的溫度標(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)℃,溫度波動性為0.02℃/10min,最大孔間溫差為0.01℃。
 
4試驗研究
4.1實驗平臺的搭建
　　本次試驗的主要測試項目包括負載條件下配置均溫塊的單區(qū)爐、未配置均溫塊的多區(qū)爐的軸向溫度場和各溫度點熱電偶示值誤差,以及空載條件下的徑向溫度場。要求測試過程符合JJF1184-2007《熱電偶檢定爐溫度場測試技術(shù)規(guī)范》141要求。試驗環(huán)境:溫度18.5~22.5℃,相對濕度40%~55%。試驗場景如圖3所示,通過測溫儀將固定偶與移動偶采集到的電信號轉(zhuǎn)化為溫度值。根據(jù)固定偶與移動偶溫度差值確定檢定爐溫場分布。
 
4.2空載及負載條件下軸向溫度場對比實驗
　　軸向溫度場的測試對象是未配均溫塊的多區(qū)爐及配備均溫塊的單區(qū)爐。為保證實驗數(shù)據(jù)有足夠的使用價值,分別對空載溫場及負載溫場進行測試。負載測試時使用4支N型鎧裝熱電偶作為負載,多區(qū)爐的溫場使用自動溫場測試裝置從前部進行測量，負載從后部插人。由于使用了杯狀均溫塊,單區(qū)爐溫場只能采用手工方式測量。
　　多區(qū)爐測試如圖4所示。其中,為與鎧裝熱電偶正常校準(zhǔn)過程插人深度保持一致,負載插人深度為320mm左右。測試溫度點為400、600、800、.1000℃共4個溫度點,在所有測試過程中使用高鋁棉對爐口進行封堵,并全程使用零度恒溫器對標(biāo)準(zhǔn)熱電偶進行參考端補償。
　　測量過程中,固定偶放置于多區(qū)爐軸向“0mm'”中心點不動,移動標(biāo)準(zhǔn)偶插人中心測試定位管,可在-100~+100mm之間各點移動,為了盡量獲得更寬范圍內(nèi)的軸向溫度場測試數(shù)據(jù),多區(qū)爐的溫場測.量范圍為中心點±100mm。設(shè)定爐溫在測試溫度點，待爐溫穩(wěn)定性滿足要求后,分別測量固定偶與移動偶熱電動勢所對應(yīng)溫度值,測量順序為-100,-90,...+90,+100mm以此類推,往返一個循環(huán)，測試結(jié)果如表3所示。
 
　　由于單區(qū)爐使用杯狀均溫塊的限制,無法測量中心點±100mm的軸向溫度場,采用手工方式測量了均溫塊底部起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)爐軸向溫度場測試結(jié)果如表4所示。
 
 
4.3熱電偶示值誤差實驗對比
　　首先對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。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個溫度點，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標(biāo)準(zhǔn)偶及被檢偶做參考端補償。實驗數(shù)據(jù)如表5所示。
 
4.4徑向溫度場對比實驗
　　我國對廉金屬偶檢定爐的技術(shù)要求包括軸向溫度場與徑向溫度場的測試。由于負載狀態(tài)下爐管內(nèi)插入多支鎧裝N型熱電偶,無法進行徑向溫度場測試，此實驗僅在空載情況下進行。測試位置:帶均溫塊的單區(qū)爐在均溫塊底部進行,未配均熱塊的多區(qū)爐在其幾何中心進行。測試溫度點為400、700、1000℃共3個溫度點,全程采用零度恒溫器對標(biāo)準(zhǔn)偶做參考段補償。測試使用PR1145A附帶定位塊進行徑向定位,測試位置及實物如圖6所示;檢定爐徑向溫度場測試結(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±20mm范圍溫場進行軸向溫度均勻性比較。圖7所示為空載溫場實驗對比結(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,在負載情況下,作為負載的鎧裝熱電偶帶來了較大的軸向?qū)?并使單區(qū)爐結(jié)構(gòu)劣勢被暴露，除1000℃以外的溫度點,溫度梯度隨設(shè)定溫度降低越來越大,這是因為單區(qū)爐在設(shè)計時優(yōu)先考慮在1000℃時獲得最佳的溫場分布特性,受制于固定的熱平衡結(jié)構(gòu),在其他溫度設(shè)定點無法保證充足的軸向溫度場。增加均溫塊后,其溫度平衡過程依靠被動的熱傳導(dǎo),無法彌補負載-一端的散熱損失。從圖8可以看出,最高溫度點位置為杯式均溫塊底部位置,在非1000℃點時,溫度隨位置的變化下降較多。
 
　　通過不同溫度源中4支N型熱電偶校準(zhǔn)的試驗數(shù)據(jù)可以看出,多區(qū)爐的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)質(zhì)量優(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
　　從以上測試數(shù)據(jù)可以看出,檢定爐自身的軸向溫度場均勻性至關(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)檢定爐的溫場均勻性,但在負載測試過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)完全可以達到并超過使用均溫塊的普通熱電偶檢定爐。因此,多區(qū)控溫校準(zhǔn)爐在溫場均勻性達到--定要求后，無需使用均溫塊也能滿足熱電偶的校準(zhǔn)要求。
　　同時也應(yīng)注意到，多區(qū)爐的制作工藝非常復(fù)雜，制造成本遠高于單區(qū)爐,因此其普及難度較大。此外，更寬的溫場寬度意味著更長的溫度平衡時間,如何平衡等待時間與校準(zhǔn)質(zhì)量也是多區(qū)爐使用過程中需斟酌的一個問題。因此,使用者應(yīng)當(dāng)從實際的校準(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。