管式熱電偶檢定爐均勻溫場(chǎng)分析

       一直以來(lái).計量部門(mén)及工業(yè)部門(mén)在校準廉金屬鎧裝熱電偶時(shí)，常用管式熱電偶檢定爐,這種爐子因操作簡(jiǎn)便、造價(jià)低廉而得到廣泛使用。通常規定管式爐的長(cháng)度為600mm，加熱管內徑約為40mm,常用最高溫度為1200℃,最高均勻溫場(chǎng)中心與爐子幾何中心沿軸線(xiàn)上偏離不大于10mm,在均勻溫場(chǎng)長(cháng)度不小于60mm,半徑為14mm范圍內，任意兩點(diǎn)間溫差不大于1℃。
       然而,我們通過(guò)測試發(fā)現,現有的管式爐溫場(chǎng)指標在未放被校準鎧裝偶(即空載)時(shí)測試可以達到標準,但在放置被校準鎧裝偶(即滿(mǎn)載)時(shí),溫場(chǎng)不能達到“任意兩點(diǎn)間溫差不大于1℃的標準。而鎧裝偶在校準過(guò)程中必然裝有被校準鎧裝偶,在這種情況下如何得到一個(gè)均勻穩定的溫場(chǎng),使現有的管式爐在滿(mǎn)載時(shí)爐內溫場(chǎng)達標是問(wèn)題的關(guān)鍵。
一、管式爐在未放置金屬均溫塊情況下的溫場(chǎng)測試
       我們參照JJF1184--2007(熱電偶檢定爐溫度場(chǎng)測試技術(shù)規范》提供的測試方法,選用典型的管式熱電偶檢定爐分別在空載和滿(mǎn)載時(shí)進(jìn)行了溫場(chǎng)測試。由于鎧裝熱電偶在校準時(shí)插人爐內300mm,測量端區僅用到爐子均勻溫場(chǎng)的一半,因此,我們只研究放置熱電偶一側的溫場(chǎng)分布情況即可。
1.管式爐在未放被校準鎧裝偶情況下的溫場(chǎng)測試
       選用兩支二等標準鉑銠10-鉑熱電偶,插人中6mm高鋁保護管中，兩支高鋁保護管分別插人管式爐兩端的定位塊中,中心間距為14mm,一支作移動(dòng)標準偶,在管式爐軸向或徑向規定位置移動(dòng);另一支作固定標準偶，固定于軸向或徑向規定位置不動(dòng)，兩支標準偶插人爐內300mm。測試方法:將爐溫升至800℃，恒溫(50~60)min后開(kāi)始測量，測出移動(dòng)標準偶在任意一點(diǎn)相對于固定“0”點(diǎn)位置的溫度差值。溫場(chǎng)的測試結果如表1所示。

2.管式爐在放置被校準鎧裝偶情況下的溫場(chǎng)測試
       將5支φ6mm的鎧裝偶與兩支插人φ6mm高鋁保護管的二等標準鉑銠10-鉑熱電偶捆扎成束,測量端在同一個(gè)徑向截面上，其中--支保護管放在中間;另一支保護管和5支鎧裝偶沿中間的保護管均勻分布，捆扎成束后直徑約18mm,插人爐內300mm。測試方法同一、1,場(chǎng)的測試結果如表2所示。

       由表1和表2可以看出，管式爐在空載時(shí)進(jìn)行溫場(chǎng)測試,從爐中心沿熱電偶一側軸向30mm處的溫差為-0.74℃,半徑14mm的徑向范周內任意兩點(diǎn)最大差值為0.44℃,可以滿(mǎn)足要求;而爐子在滿(mǎn)載時(shí)進(jìn)行溫場(chǎng)測試，從爐中心沿熱電偶束-側軸向30mm處的溫差達到-2.26℃,超出了1℃,邊緣點(diǎn)與中心點(diǎn)的差值也達0.74℃,這給鎧裝熱電偶的校準帶來(lái)了較大誤差。
       管式爐的溫場(chǎng)均勻性是評定鎧裝熱電偶校準結果不確定度的一個(gè)重要分量,在滿(mǎn)載時(shí)，其溫場(chǎng)均勻性較差,得到的不確定度也偏大，導致校準結果不正確。
3.從傳熱學(xué)角度分析以上測試結果，
       管式爐在未放置金屬均溫塊的情況下,空載時(shí)的溫場(chǎng)明顯優(yōu)于滿(mǎn)載時(shí),分析其原因,主要是由于爐子進(jìn)行溫場(chǎng)測試時(shí),兩端爐口通常用保溫材料(如硅酸鋁保溫棉)封堵,管式爐內溫度很高，空載時(shí),爐內的傳熱方式有輻射換熱和自然對流換熱，而當爐溫穩定后，爐內氣體流動(dòng)緩慢,自然對流可以忽略不計,爐內傳.熱以輻射換熱為主，爐膛內近似于一個(gè)黑體輻射腔,爐內各處受熱均勻.故溫場(chǎng)比較均勻。而爐子在滿(mǎn)載情況下進(jìn)行溫場(chǎng)測試時(shí),由于鎧裝偶外鎧材為合金材料,在高溫時(shí)鎧裝偶插人爐內部分與露出爐外部分的溫差較大，因而沿著(zhù)鎧裝偶由爐內至爐外會(huì )有熱傳導，導致?tīng)t子有一部分的熱損失，故沿熱電偶束由內至外溫度梯度較大,溫場(chǎng)均勻性較差。
二、管式爐在放置金屬均溫塊
       惰況下的溫場(chǎng)測試為了提高管式爐溫場(chǎng)的均勻性,我們提出校準鎧裝偶時(shí),在管式爐均勻溫場(chǎng)的中心應放置-個(gè)高溫合金均溫塊，材料選用高溫時(shí)比較穩定的鎳鉻合金。
       該均溫塊的示意圖如圖1所示,我們對同一管式爐在放有該均溫塊的情況下，進(jìn)行了空載和滿(mǎn)載情況下的溫場(chǎng)測試。

1.管式爐在未放被校鎧裝偶情況下的溫場(chǎng)測試
       選用6支同一尺寸的高鋁保護管(壁厚約1mm)插人均溫塊各孔底部,將6支二等標準鉑銠10-鉑熱電，偶分別插人保護管內，使標準偶測量端處于均溫塊各孔底部的同一個(gè)截面上。測試時(shí)，將均溫塊的幾何中心截面置于管式爐均勻溫場(chǎng)的中心，標準偶插人爐內深度約為325mm,控溫熱電偶(K型熱電偶,偶絲直徑3.0mm)插人控溫偶孔深度為35mm。將爐溫升至800℃,恒溫(50~60)min后開(kāi)始測量。測量徑向溫場(chǎng)時(shí),將各支標準偶測量端在各孔底部時(shí)的示值作為徑向溫場(chǎng)測試結果。測量軸向溫場(chǎng)時(shí),選擇一支標準偶作為固定標準偶，再選撣3支相間隔的標準偶作為移動(dòng)標準偶,在管式爐軸向規定位置移動(dòng),測量3支移動(dòng)標準偶在任意一點(diǎn)相對于固定“0”點(diǎn)位置的溫度差值,將3支移動(dòng)偶中相對于“0”點(diǎn)位置溫度變化最大的一支標準偶的讀數作為軸向溫場(chǎng)測試結果。溫場(chǎng)的測試結果如表3所示。

2.管式爐在放置被校鎧裝偶情況下的溫場(chǎng)測試
       選用兩支同一尺寸的高鋁保護管(壁厚約1mm)插均溫塊同一直徑上的兩個(gè)孔底部,將兩支二等標準鉑銠10鉑熱電偶分別插人保護管內,再選擇4支鎧裝偶插人均溫塊其余4孔底部,使標準偶和鎧裝偶的測量端處于均溫塊各孔底部的同一個(gè)截面上，其中一支標準偶作為固定標準偶;另一支標準偶作為移動(dòng)標準偶，測試方法同
二、1,溫場(chǎng)的測試結果如表4所示。

       由表3和表4可以看出,管式爐在裝有均溫塊時(shí)進(jìn)行溫場(chǎng)測試,無(wú)論是否放置被校準鎧裝偶,從孔底算起其軸向30mm內溫差均不大于0.5℃,孔底部同一截面任意孔間的溫差的絕對值均不大于0.25℃。
3.從傳熱學(xué)角度分析以，上測試結果
       管式爐在放置金屬均溫塊的情況下,其溫場(chǎng)優(yōu)于未放置均溫塊時(shí),這主要是由于測試時(shí)均溫塊與管式爐壁互相接觸,空隙非常小，爐溫穩定后,爐內壁與均溫之間以及均溫塊內部的傳熱方式均以導熱為主,而金屬的導熱系數,比熱容等熱物性都比干空氣大很多,高溫時(shí)金屬內部導熱速度快且溫度分布更均勻,故溫度梯度小,溫場(chǎng)均勻性好。而且.均溫塊材料選取的是鎳鉻合金,鎳鉻合金在高溫時(shí)的熱穩定性好熱惰性較大,當爐溫穩定后，即使溫度有一定波動(dòng),均溢塊內部導熱滯后,也不會(huì )受到爐溫波動(dòng)的影響。
三、管式爐在未放均溫塊與放置均溫塊時(shí)溫場(chǎng)測試結果的比較
       放置均溫塊后較之于未放均溫塊時(shí),管式爐的溫場(chǎng)指標有所提高，圖2和圖3是幾種情況下溫場(chǎng)測試結果的比較。


       從圖2和用3可以看出:管式爐在放置均溫塊后軸向溫場(chǎng)和徑向溫場(chǎng)的均勻性均有了大幅提高，尤其在帶有被校準裝偶(滿(mǎn)載)時(shí),軸向30mm內的溫差提高了近5倍。
四、結束語(yǔ)
       通過(guò)以上試驗我們可以得出:在傳統的管式爐內放置金屬均溫塊可以提高溫場(chǎng)的均勻性,同時(shí)降低鎧裝偶校準結果的不確定度。
       經(jīng)實(shí)際計算，管式爐內未放置均溫塊進(jìn)行鎧裝偶校準時(shí),在800℃點(diǎn)其校準結果的不確定度約為1.35℃,而在管式爐內放置均溫塊進(jìn)行鎧裝偶校準時(shí)，在800℃點(diǎn)其校準結果的不確定度約為0.85℃,不確定度降低了約0.6℃。
       通過(guò)在管式爐內放置均溫塊來(lái)改善溫場(chǎng),提高校準結果正確率,,這種方法既簡(jiǎn)便又節省了更換校準設備的投資,這對推動(dòng)我國校準部門(mén)改進(jìn)鎧裝熱電偶校準裝置有借鑒意義。目前,由遼寧省計量科學(xué)研究院起草的<鎧裝熱電偶校準規范》提出,應在管式爐內放置均溫塊進(jìn)行鎧裝偶的校準,2009年11月，全國溫度計量技術(shù)委員會(huì )已經(jīng)討論通過(guò)了在傳統管式爐內放置均溫塊進(jìn)行鎧,裝偶校準的方法。