工業(yè)熱電偶檢定用管式爐爐溫溫場的微機(jī)測試

摘要:論述了工業(yè)熱電偶檢定用管式爐爐溫溫場的微機(jī)測試方法,探討了測試中所涉及的一些方法與技術(shù)，比較了幾種測試手段的優(yōu)劣,提出了一種可行的測試方法。
0前言
       在檢定熱電偶的工作過程中,管式檢定爐設(shè)備之一。檢定爐合格與否,直接關(guān)系到熱電偶的檢定精度。根據(jù)《中華人民共和國國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG351-96》的規(guī)定,管式爐的長度為600mm,管內(nèi)徑為40nm,常用最高溫度為1200℃高均勻溫場中心與爐子幾何中心的偏差不大于10nm,在長度不小于60nm、半徑為40nm的圓柱體形均勻溫場中,任意兩點(diǎn)間的溫差不大于1℃.
目前還沒有一種成熟的、公認(rèn)的、規(guī)范的方法來對管式檢定爐溫場進(jìn)行測試,所以,溫場測試情況在方法上、測試設(shè)備上及對規(guī)程技術(shù)要求的理解上都存在很大差異,從而造成了規(guī)程執(zhí)行上的混亂和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)化的困難。因此,探討一種切實(shí)可行的、合理的測試方法是很急迫的。.
1測試方法
       根據(jù)檢測手段的不同,可將管式爐溫場的測試方式分為兩大類:一種是手工測試(如圖1所示),另一種是微機(jī)測試(如圖2所示)。在手工測試中,溫度的測量是用數(shù)字電壓表測熱電偶電勢,再換算成溫度,數(shù)據(jù)一般由人工記錄,數(shù)據(jù)處理大多也是人工進(jìn)行。


       人工測試方法存在工作量大、人為因素不可避免的缺點(diǎn),而這些問題都可在微機(jī)測試方法中得到解決。在微機(jī)測試時(shí),熱電偶電勢測量過程中實(shí)現(xiàn)自動化,溫場數(shù)據(jù)的分析工作也可通過編程由微機(jī)完成。但是,測量熱電偶測點(diǎn)的移動還得由人工完成。也就是說,尚未實(shí)現(xiàn)完全自動化。.
       利用微機(jī)進(jìn)行溫場測試及數(shù)據(jù)處理更要求有細(xì)致、標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法和操作步驟,所以一套完整的測試方案是實(shí)現(xiàn)微機(jī)測試溫場的前提。
為了設(shè)計(jì)出一套完整的微機(jī)測試溫場的方案,我們考慮了以下幾個(gè)方面的問題,并逐一進(jìn)行了研究。
1.1定位塊選用
       定位塊主要用于熱電偶定位,其材料為耐火材料。規(guī)程附錄中規(guī)定選用兩塊形狀不同的定位塊(如圖3所示),其中一塊為兩孔的,另一塊為三孔的。但實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),用這樣的定位塊易造成定位不準(zhǔn)的結(jié)果。因?yàn)?使用形狀不同的兩塊定位塊進(jìn)行溫場測量的過程中,測量熱電偶通過三孔定位塊固定,其工作端懸于爐體內(nèi),這就是所謂的懸臂梁式的測量方式。這樣做,熱電偶的工作端容易下垂、上翹、偏左或偏右,造成實(shí)際測溫點(diǎn)與期望測溫點(diǎn)不符。實(shí)驗(yàn)證明,使用這種方法,兩次測試結(jié)果相差較大,也就是復(fù)現(xiàn)性差,測試結(jié)果可信度低。

1.2套管
考慮到使用套管將影響管式檢定爐爐內(nèi)的溫度分布,有人建議不使用套管。但是,不使用套管難以實(shí)現(xiàn)熱電偶的定點(diǎn)測量,而利用套管,可將熱電偶沿軸向移動的軌道固定,易于操作,定位正確。另外,套管材料也需考慮,應(yīng)以影響爐內(nèi)溫場最小為.前提。
1.3最高均勻溫場中心
對于“最高均勻溫場中心”的涵義,有兩種理解。一種認(rèn)為最高均勻溫場中心就是溫場中最高溫度點(diǎn),可先確定最高溫度點(diǎn),再確定以此點(diǎn)為中心的溫場是否均勻;另一種認(rèn)為最高均勻溫場中心是均勻溫場的幾何中心,即先確定均勻溫場的大小，再確定溫場中心所在。
1.4溫場測點(diǎn)選擇
規(guī)程附錄中規(guī)定,在檢定爐的軸向共選取7個(gè)測點(diǎn)來確定溫場。顯然僅選取7個(gè)測點(diǎn)是不足以判斷所有的合格溫場情況。
1.5溫場測量值的計(jì)算
計(jì)算溫場測量值時(shí),一般是將各測點(diǎn)的熱電偶電勢轉(zhuǎn)化為溫度值,再進(jìn)行分析處理。但也有先計(jì)算出各測點(diǎn)溫度與控溫?zé)犭娕继幍臏囟鹊牟钪?再對這些差值進(jìn)行分析處理的做法。
1.6測量順序
       理論上應(yīng)同時(shí)測量各測點(diǎn)的溫差,但實(shí)際操作上難以實(shí)現(xiàn),只能分別測量,因此,就存在測量順序的選擇問題。
1.7保溫時(shí)間
       保溫時(shí)間是指從爐溫升至1000℃到開始測量數(shù)據(jù)之間所等待的時(shí)間。我們將其分為長時(shí)與短時(shí)兩種。長時(shí)等待2個(gè)小時(shí);短時(shí)等待半個(gè)小時(shí)。保溫時(shí)間的長短變化顯然對測量結(jié)果有較大影響。
1.8測點(diǎn)變化后的測量條件
       每次移動測點(diǎn)后,因?yàn)榇嬖跍y量偶和工作偶的熱平衡動態(tài)過程,所以不應(yīng)馬上記錄數(shù)據(jù)。
2定位塊
       在實(shí)際操作中,我們選用兩塊形狀相同的定位塊(如圖4所示),而不選用兩塊形狀不同的定位塊,這是因?yàn)?采用形狀相同的定位塊,熱電偶的套管的一端固定于一個(gè)定位塊上,另一端固定于另一個(gè)定位塊上。這樣熱電偶插入套管中,就不會發(fā)生徑向偏差了。

3.套管
       對于套管,應(yīng)盡量選取對管式檢定爐爐內(nèi)的溫度分布影響小的套管。比較石英套管、剛玉管和陶瓷管,后兩種套管的管壁厚、熱慣性大,有均熱作用,熱電偶插入這些套管中,實(shí)際測得的溫度與真實(shí)溫度有較大的偏差。石英管管壁薄、熱慣性小,對管式檢定爐爐內(nèi)的溫度分布影響較小，可真實(shí)地反映實(shí)際溫度。綜合考慮,我們選擇使用石英套管。
4最高均勻溫場中心的定義
       根據(jù)規(guī)程規(guī)定,最高均勻溫場中心與爐子幾何中心沿軸線上偏離不大于10nm。我們認(rèn)為“最高均勻溫場中心”是指“均勻溫場的幾何中心”，而不是溫場中的“最高溫度點(diǎn)”。如圖5所示,5(a)中最高溫度點(diǎn)與均勻溫場的中心是重合的;5(6)所示的一段溫場的溫度分布為馬鞍形,其最高均勻溫場中心在B點(diǎn),而最高溫度點(diǎn)在A1或A2點(diǎn)。正確理解最高均勻溫場的定義,將是正確判斷管式檢定爐溫場合格與否的關(guān)鍵。

5測點(diǎn)選擇
        如圖6所示,在徑向選取5個(gè)測點(diǎn),在軸向選取9個(gè)測點(diǎn),即共選取5X9=45個(gè)點(diǎn)作為測溫點(diǎn)。具體選取辦法如下:將制作好的定位塊裝入管式爐兩端,使其與爐端貼緊,并安裝好兩個(gè)石英套管。測量爐體長度(將定位塊的凸出部分也計(jì)算在內(nèi)),計(jì)算出其中點(diǎn)處。將兩支二等熱電偶插入石英套管中,使其測量端處于爐軸線中點(diǎn)截面處。將中心孔處的熱電偶作為控溫?zé)犭娕?另一孔處的熱電偶作為測溫?zé)犭娕?。在?biāo)準(zhǔn)熱電偶絕緣管與定位塊外端面相交點(diǎn),用陶瓷鉛筆做一記號,作為坐標(biāo)“0'點(diǎn),從此點(diǎn)分別向工作端和參考端每隔10nm做一記號,標(biāo)上+4~-4坐標(biāo)。軸向共9個(gè)測點(diǎn),測量時(shí)只要移動測溫?zé)犭娕?使其分別處于.4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4處即可;徑向共5個(gè)測點(diǎn),即上下左右中5點(diǎn),測量時(shí)只要轉(zhuǎn)動定位塊,使測溫?zé)犭娕挤謩e處于各個(gè)不同的徑向位置。測出的溫度數(shù)據(jù)可用矩陣表示:

        其中,θ,為各測溫點(diǎn)測得的溫度,行下標(biāo)表示徑向位置,列下標(biāo)表示軸向位置。

       規(guī)程規(guī)定,在檢定爐的軸向選取7個(gè)測點(diǎn),即。3~+3,與此同時(shí),又規(guī)定,最高均勻溫場中心與爐子幾何中心沿軸線上偏離不大于10nm,長度不小于60nm,由此推算出最偏離爐子幾何中心的合格溫場處于。4~+3或_3~+4之間。若只選取7個(gè)測點(diǎn),就不能包含這兩種情況。
6溫場測量值的計(jì)算
       理論上溫場測量時(shí),記錄的數(shù)據(jù)應(yīng)為測點(diǎn)的實(shí)際溫度。但實(shí)際上,爐溫的保持是通過控溫?zé)犭娕嫉姆答?由調(diào)節(jié)器不斷調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的,因此溫度值是不斷波動的。由于θ為時(shí)間t的函數(shù),各點(diǎn)溫度并不是同時(shí)測得的,而有時(shí)間上的先后順序,所以直接測得的測點(diǎn)溫度,不能真實(shí)反映溫場分布。而用測點(diǎn)溫度與控溫?zé)犭娕妓鶞y溫度之間的差值來反映溫場可以消除溫度控制造成的波動的影響。設(shè)

       可見，采用溫差可消除測量時(shí)間先后所帶來的誤差。同時(shí),由于各測點(diǎn)處所測得溫差的基準(zhǔn)點(diǎn)相同,所以在各測點(diǎn)所測得的溫差之間的差值等價(jià)于各測點(diǎn)處的溫度之間的差值。
7測量順序
測量順序分兩種:
(1)先軸向后徑向;
a保持熱電偶徑向位置不動,將其軸向移動,測完軸向9個(gè)測點(diǎn);
b.將熱電偶徑向移動一位,重復(fù)a;
c重復(fù)b,直至測完徑向5個(gè)測點(diǎn)。
采取該種測量順序的測量數(shù)據(jù)如表1所示(恒溫時(shí)間為長時(shí),測試共耗時(shí)320分鐘),其溫場分布曲線如圖7所示。

(2)先徑向后軸向
a保持熱電偶軸向位置不動,將其徑向移動,測完徑向5個(gè)測點(diǎn);
b.將熱電偶軸向移動一位,重復(fù)a;
c重復(fù)b,直至測完軸向9個(gè)測點(diǎn)。
       采取該種測量順序的測量數(shù)據(jù)如表2所示(保溫時(shí)間為長時(shí),測試共耗時(shí)372分鐘),其溫場分布曲線如圖8所示。
       分析以上兩組數(shù)據(jù)可知,兩者的結(jié)論相同,均勻溫場長度都為70nm,均勻溫場幾何中心偏離,爐子幾何中心5.0nm,且兩者反映的爐子特性也基本--致。由此可見，測量順序的不同對測試結(jié)果并無太大影響。先徑向后軸向的方法在操作上比先軸向后徑向的方法繁瑣,并且耗時(shí)長,在測得的數(shù)據(jù)上也比較分散一些,因此不宜推薦。

8保溫時(shí)間
        從爐溫升至1000℃起至開始測量的時(shí)間稱為保溫時(shí)間。按保溫時(shí)間長短可分為兩類:
(1)短時(shí)保溫
       從加熱爐子到開始測量,其間等待1個(gè)小時(shí)。由于爐子從室溫升至1000℃左右，大約需要30分鐘,所以保溫時(shí)間為30分鐘左右。
       采取短時(shí)保溫的測量數(shù)據(jù)如表3所示(采用先軸向后徑向的測試順序,整個(gè)測試過程耗時(shí)194分鐘),其溫場分布曲線如圖9所示。


(2)長時(shí)保溫
       從開始加熱爐子到開始測量,其間約等待3個(gè)小時(shí)。恒溫時(shí)間2個(gè)小時(shí)左右。
       采取:長時(shí)保溫的測量數(shù)據(jù)如表4所示(采用先軸向后徑向的測試順序,整個(gè)測試過程耗時(shí)194分鐘),其溫場分布曲線如圖10所示。

       分析以上兩組數(shù)據(jù)可知,短時(shí)保溫測得的均勻溫場長度僅為40nm,均勻溫場幾何中心偏離爐子幾何中心10nm,爐子不合格;長時(shí)恒溫測得的均勻溫場長度為70nm,均勻溫場幾何中心偏離爐子機(jī)械中心Smm,爐子合格。之所以會出現(xiàn)截然不同的結(jié)果,是因?yàn)樵诒貢r(shí)間不夠的情況下，爐溫尚不穩(wěn)定,且分布不均勻,造成測試結(jié)果不正確?？梢?，保溫時(shí)間的長短對測試結(jié)果的正確性有著至關(guān)重要的影響。
9測點(diǎn)變化后的測量條件
       每次移動測點(diǎn)后,不能馬上記錄數(shù)據(jù),要等到測溫?zé)犭娕紲y得的溫度與控溫?zé)犭娕紲y得的溫度同向變化,且它們的變化率不大于0.2℃/分時(shí),才可記錄數(shù)據(jù)。其理由如下:
轉(zhuǎn)移測點(diǎn)后,熱電偶插入爐子內(nèi)部的長度和位置都會發(fā)生變化,它會吸收或放出一部分熱量,以達(dá)到新的熱平衡,這樣會引起測點(diǎn)溫度的變化。測溫?zé)犭娕紲y得的溫度的變化反映了該過程。而如前所述,爐溫并非恒定不變,而是不斷波動的.測溫?zé)犭娕紲y得的溫度的變化反映了這一波動。只有兩者同向變化,才能說明測點(diǎn)周圍已經(jīng)達(dá)到了新的熱平衡,此時(shí)測點(diǎn)溫度為爐子在該點(diǎn)的真實(shí)溫度。同時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn),變化率不大于0.2℃/分時(shí),測得的數(shù)據(jù)才較為正確。
10微機(jī)測試方法中所涉及的其它一些問題
10.1參考點(diǎn)的轉(zhuǎn)換
       在我們的溫場測試方案中,測溫偶與控溫偶可相互轉(zhuǎn)換,當(dāng)測上下左右軸線上的溫度點(diǎn)時(shí),中心軸線上的熱電偶為控溫偶,非中心軸線上的熱電偶為測溫偶;當(dāng)測中心軸線上的溫度點(diǎn)時(shí),非中心軸線上的熱電偶為控溫偶,中心軸線上的熱電偶為測溫偶。因此,就存在一個(gè)參考坐標(biāo)變換的問題。具體分析如下:
(1)當(dāng)測非中心軸線溫度點(diǎn)時(shí),中心軸線上熱電偶工作端在中心軸線上的中心位置,其測量值
       表示為Ao;非中心軸線上熱電偶工作端在其軸線上的某一位置處,其測量值表示為θ,其中l(wèi)表示徑向位置,j表示軸向位置。則溫差表示為



10.2溫場數(shù)據(jù)的分析
       溫場數(shù)據(jù)的分析工作可通過編程由微機(jī)完成,圖11是軟件流程圖(其中1表示均勻溫場長度,h表示最高均勻溫場中心與爐子幾何中心的偏差)。
11結(jié)論
根據(jù)以上的研究工作,可提出一套工業(yè)熱電偶檢定用管式爐爐溫溫玚微機(jī)測試的可行性方案:
1.使用兩塊形狀相同的兩孔定位塊;
2.使用石英套管;
3.選取9個(gè)軸向及5個(gè)徑向,共45個(gè)測點(diǎn);
4.采用先軸向后徑向的測量順序;
5.采用長時(shí)保溫時(shí)間;.
6.測點(diǎn)變化后,應(yīng)等待測溫偶與控溫偶所測溫度同向變化,且它們的溫變率都不大于0.2℃/分。