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(guò)程中使用傳統的檢定爐用均溫塊所導致的控溫滯后.恒溫時(shí)間長(cháng)、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(mǎn)足相關(guān)規范要求的多區加熱檢定爐，以提高檢測效率。根據JJF1184-2007《熱電偶檢定爐溫度場(chǎng)測試技術(shù)規范》對用均溫塊的傳統單區加熱檢定爐與不用均溫塊的多區加熱檢定爐的溫場(chǎng)分別進(jìn)行測試;再用熱電偶示值誤差試驗進(jìn)行對比驗證。結果表明,在400~1000℃溫度范圍內的各個(gè)校準點(diǎn),不用均溫塊的多區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測試中，指標均優(yōu)于用均溫塊的傳統單區加熱檢定爐。
1.引言
　　廉金屬熱電偶廣泛應用在國民經(jīng)濟和國防各領(lǐng)域,其示值穩定性和測量準確度至關(guān)重要。校準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定的溫度場(chǎng)。目前廉金屬熱電偶依據JJF1637--2017《廉金屬熱電偶校準規范》11進(jìn)行校準，要求在600mm.熱電偶檢定爐中放置均溫塊以減小測量結果的不確定度。該方法依托于均溫塊材料的高導熱系數、低比熱容等物理特性,從而在爐管內形成穩定的均勻溫場(chǎng)。
　　通過(guò)對600mm管式熱電偶爐進(jìn)行附加均溫塊的溫場(chǎng)測量研究,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月國家質(zhì)量監督檢驗檢疫總局發(fā)布的JJF1262-2010《鎧裝熱電偶校準規范》中明確要求,在300℃以上的管式爐設備中應配置均溫塊。通過(guò)對管式爐溫度場(chǎng)的試驗與分析,闡述了均溫塊在提高管式爐溫場(chǎng)性能、改善熱電偶校準結果準確度方面的顯著(zhù)作用,并對均溫塊在使用過(guò)程中的局限性進(jìn)行了探討。
　　對傳統單區加熱結構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(cháng)、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中的恒溫溫度源，當前在熱電偶的高溫區間檢定中尚沒(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)生熱量對爐膛進(jìn)行加熱從而在爐膛內形成穩定均勻的恒溫溫場(chǎng)。單區控溫檢定爐結構如圖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備。多區爐構造如圖1(b)所示，與單區爐區別在于使用分段式加熱器,能夠對具體位置的加熱量進(jìn)行控制。
 
2.2均溫塊
　　熱電偶檢定爐專(zhuān)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)校準使用,。檢定爐的溫場(chǎng)參數通常是在空載狀態(tài)下測得,而在熱電偶的校準過(guò)程中,同時(shí)插人的多支熱電偶會(huì )導致嚴重的軸向導熱,導致溫場(chǎng)溫度梯度增大,有效溫場(chǎng)長(cháng)度減小等問(wèn)題。為應對上述問(wèn)題,借助金屬優(yōu)良的導熱性能，通過(guò)內置均溫塊的方式提高檢定爐溫場(chǎng)的溫場(chǎng)質(zhì)量。隨著(zhù)使用溫度的升高,均溫塊對溫場(chǎng)的改善效果也會(huì )更為明顯。
2.3試驗目的
　　均溫塊的使用對于提升傳統單區加熱檢定爐溫場(chǎng)質(zhì)量效果顯著(zhù),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(huì )變得松軟,質(zhì)量較大的均溫塊會(huì )導致?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，繼而導致漏電等問(wèn)題的發(fā)生。
　　具有多區加熱結構的檢定爐能夠通過(guò)調整各個(gè)加熱區的功率分配進(jìn)而對溫場(chǎng)分布進(jìn)行調整,相比單區加熱的檢定爐通常具有更優(yōu)的溫場(chǎng)特性。本文通過(guò)對未配置均溫塊的多區加熱檢定爐與配置均溫塊的單區加熱檢定爐進(jìn)行對比試驗，論證多區加熱結構的檢定爐在檢定過(guò)程中是否必須使用均溫塊。
3試驗儀器和設備
3.1檢定爐.
　　試驗使用的檢定爐為新研發(fā)的多區加熱溫度校準爐(以下簡(jiǎn)稱(chēng)多區爐)和單區加熱PR320A熱電偶檢定爐(以下簡(jiǎn)稱(chēng)單區爐),試驗中PR320A檢定爐將配套PR1145A均溫塊使用。檢定爐參數如表1所示,圖2為檢定爐實(shí)物圖。
 
3.2高精度測溫儀
　　測溫儀有5路掃描通道、測量準確度0.005級、測量靈敏度10nV/10μn,并可引用證書(shū)值或修正值對測試結果進(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)。本試驗中用于熱電偶的低溫段校準。
3.4自動(dòng)溫場(chǎng)測試裝置
　　測試使用軸向溫度場(chǎng)自動(dòng)測試裝置,此裝置為自行設計，最大有效行程600mm,可通過(guò)軟件設定判斷依據并自動(dòng)進(jìn)行軸向溫度場(chǎng)測量。
3.5溫度傳感器
　　本次試驗使用的溫度標準器均在檢定周期內，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試驗研究
4.1實(shí)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爐、未配置均溫塊的多區爐的軸向溫度場(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)。要求測試過(guò)程符合JJF1184-2007《熱電偶檢定爐溫度場(chǎng)測試技術(shù)規范》141要求。試驗環(huán)境:溫度18.5~22.5℃,相對濕度40%~55%。試驗場(chǎng)景如圖3所示,通過(guò)測溫儀將固定偶與移動(dòng)偶采集到的電信號轉化為溫度值。根據固定偶與移動(dòng)偶溫度差值確定檢定爐溫場(chǎng)分布。
 
4.2空載及負載條件下軸向溫度場(chǎng)對比實(shí)驗
　　軸向溫度場(chǎng)的測試對象是未配均溫塊的多區爐及配備均溫塊的單區爐。為保證實(shí)驗數據有足夠的使用價(jià)值,分別對空載溫場(chǎng)及負載溫場(chǎng)進(jìn)行測試。負載測試時(shí)使用4支N型鎧裝熱電偶作為負載,多區爐的溫場(chǎng)使用自動(dòng)溫場(chǎng)測試裝置從前部進(jìn)行測量，負載從后部插人。由于使用了杯狀均溫塊,單區爐溫場(chǎng)只能采用手工方式測量。
　　多區爐測試如圖4所示。其中,為與鎧裝熱電偶正常校準過(guò)程插人深度保持一致,負載插人深度為320mm左右。測試溫度點(diǎn)為400、600、800、.1000℃共4個(gè)溫度點(diǎn),在所有測試過(guò)程中使用高鋁棉對爐口進(jìn)行封堵,并全程使用零度恒溫器對標準熱電偶進(jìn)行參考端補償。
　　測量過(guò)程中,固定偶放置于多區爐軸向“0mm'”中心點(diǎn)不動(dòng),移動(dòng)標準偶插人中心測試定位管,可在-100~+100mm之間各點(diǎn)移動(dòng),為了盡量獲得更寬范圍內的軸向溫度場(chǎng)測試數據,多區爐的溫場(chǎng)測.量范圍為中心點(diǎn)±100mm。設定爐溫在測試溫度點(diǎn)，待爐溫穩定性滿(mǎn)足要求后,分別測量固定偶與移動(dòng)偶熱電動(dòng)勢所對應溫度值,測量順序為-100,-90,...+90,+100mm以此類(lèi)推,往返一個(gè)循環(huán)，測試結果如表3所示。
 
　　由于單區爐使用杯狀均溫塊的限制,無(wú)法測量中心點(diǎn)±100mm的軸向溫度場(chǎng),采用手工方式測量了均溫塊底部起60mm范圍內的溫度分布數據,如圖5所示，該區域對應多區爐-20~40mm位置,單區爐軸向溫度場(chǎng)測試結果如表4所示。
 
 
4.3熱電偶示值誤差實(shí)驗對比
　　首先對4支N分度熱電偶在熱管恒溫槽中校準400、500℃,標準器使用二等標準鉑電阻溫度計。然后分別在帶均溫塊的單區爐及未配均溫塊的多區爐中校準400、500、600、800、1000℃共5個(gè)溫度點(diǎn)，標準器采用一等標準鉑銠10-鉑熱電.偶,并全程采用零度恒溫器對標準偶及被檢偶做參考端補償。實(shí)驗數據如表5所示。
 
4.4徑向溫度場(chǎng)對比實(shí)驗
　　我國對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)的測試。由于負載狀態(tài)下?tīng)t管內插入多支鎧裝N型熱電偶,無(wú)法進(jìn)行徑向溫度場(chǎng)測試，此實(shí)驗僅在空載情況下進(jìn)行。測試位置:帶均溫塊的單區爐在均溫塊底部進(jìn)行,未配均熱塊的多區爐在其幾何中心進(jìn)行。測試溫度點(diǎn)為400、700、1000℃共3個(gè)溫度點(diǎn),全程采用零度恒溫器對標準偶做參考段補償。測試使用PR1145A附帶定位塊進(jìn)行徑向定位,測試位置及實(shí)物如圖6所示;檢定爐徑向溫度場(chǎng)測試結果如表6所示。
 
4.5結果分析
　　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)驗對比結果,可以看出,即便不使用均溫塊,多區爐也有著(zhù)較好的軸向溫度均勻性,在該范圍內的最大溫差不超過(guò)0.2℃。傳統單區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(lái)了較大的軸向導熱,并使單區爐結構劣勢被暴露，除1000℃以外的溫度點(diǎn),溫度梯度隨設定溫度降低越來(lái)越大,這是因為單區爐在設計時(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構,在其他溫度設定點(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,無(wú)法彌補負載-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型熱電偶校準的試驗數據可以看出,多區爐的校準數據質(zhì)量?jì)?yōu)于配備均溫塊的單區爐。熱電偶校準偏差如圖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數據。
 
　　可以看出，試驗的4支被校準熱電偶在多區爐中的高溫部分的校準數據可以較好地與熱管恒溫槽中的低溫段校準數據進(jìn)行銜接，線(xiàn)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爐中的校準數據與低溫段校準數據組合后則存在明顯的非線(xiàn)性,且一致性較差。
5結論
　　從以上測試數據可以看出,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單區檢定爐的溫場(chǎng)均勻性,但在負載測試過(guò)程中還是存在較大的溫度梯度。而具有多區加熱結構的熱電偶檢定爐在不使用均溫塊的情況下，在較寬的溫度區間內,其關(guān)鍵技術(shù)參數完全可以達到并超過(guò)使用均溫塊的普通熱電偶檢定爐。因此,多區控溫校準爐在溫場(chǎng)均勻性達到--定要求后，無(wú)需使用均溫塊也能滿(mǎn)足熱電偶的校準要求。
　　同時(shí)也應注意到，多區爐的制作工藝非常復雜，制造成本遠高于單區爐,因此其普及難度較大。此外，更寬的溫場(chǎng)寬度意味著(zhù)更長(cháng)的溫度平衡時(shí)間,如何平衡等待時(shí)間與校準質(zhì)量也是多區爐使用過(guò)程中需斟酌的一個(gè)問(wèn)題。因此,使用者應當從實(shí)際的校準需求出發(fā),綜合考慮準確度、成本、效率,選擇符合校準需求的熱電偶檢定爐。