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規(guī)范要求的多區(qū)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測試技術規(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。結果表明,在400~1000℃溫度范圍內的各個校準點,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用在國民經濟和國防各領域,其示值穩(wěn)定性和測量準確度至關重要。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(wěn)定的溫度場。目前廉金屬熱電偶依據JJF1637--2017《廉金屬熱電偶校準規(guī)范》11進行校準，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(shù)、低比熱容等物理特性,從而在爐管內形成穩(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月國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局發(fā)布的JJF1262-2010《鎧裝熱電偶校準規(guī)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、改善熱電偶校準結果準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)加熱結構的檢定爐附加均溫塊,可以起到提高溫場質量的作用，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,通過電熱絲加熱產生熱量對爐膛進行加熱從而在爐膛內形成穩(wěn)定均勻的恒溫溫場。單區(qū)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(qū)爐構造如圖1(b)所示，與單區(qū)爐區(qū)別在于使用分段式加熱器,能夠對具體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,而在熱電偶的校準過程中,同時插人的多支熱電偶會導致嚴重的軸向導熱,導致溫場溫度梯度增大,有效溫場長度減小等問題。為應對上述問題,借助金屬優(yōu)良的導熱性能，通過內置均溫塊的方式提高檢定爐溫場的溫場質量。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試驗目的
　　均溫塊的使用對于提升傳統(tǒng)單區(qū)加熱檢定爐溫場質量效果顯著,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,檢定爐內部負載增加,控溫難度隨之提升;其次在1000℃以上，剛玉材質的爐管會變得松軟,質量較大的均溫塊會導致爐管彎曲，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，繼而導致漏電等問題的發(fā)生。
　　具有多區(qū)加熱結構的檢定爐能夠通過調整各個加熱區(qū)的功率分配進而對溫場分布進行調整,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)加熱結構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。
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,此裝置為自行設計，最大有效行程600mm,可通過軟件設定判斷依據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化為溫度值。根據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準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,移動標準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的軸向溫度場測試數(shù)據,多區(qū)爐的溫場測.量范圍為中心點±100mm。設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范圍內的溫度分布數(shù)據,如圖5所示，該區(qū)域對應多區(qū)爐-20~40mm位置,單區(qū)爐軸向溫度場測試結果如表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(qū)爐及未配均溫塊的多區(qū)爐中校準400、500、600、800、1000℃共5個溫度點，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。實驗數(shù)據如表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準偶做參考段補償。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果如表6所示。
 
4.5結果分析
　　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導熱,并使單區(qū)爐結構劣勢被暴露，除1000℃以外的溫度點,溫度梯度隨設定溫度降低越來越大,這是因為單區(qū)爐在設計時優(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構,在其他溫度設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,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型熱電偶校準的試驗數(shù)據可以看出,多區(qū)爐的校準數(shù)據質量優(yōu)于配備均溫塊的單區(qū)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(shù)據。
 
　　可以看出，試驗的4支被校準熱電偶在多區(qū)爐中的高溫部分的校準數(shù)據可以較好地與熱管恒溫槽中的低溫段校準數(shù)據進行銜接，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)爐中的校準數(shù)據與低溫段校準數(shù)據組合后則存在明顯的非線性,且一致性較差。
5結論
　　從以上測試數(shù)據可以看出,檢定爐自身的軸向溫度場均勻性至關重要,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(qū)間內,其關鍵技術參數(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要求。
　　同時也應注意到，多區(qū)爐的制作工藝非常復雜，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質量也是多區(qū)爐使用過程中需斟酌的一個問題。因此,使用者應當從實際的校準需求出發(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。