一種新型高溫?zé)犭娕夹阅軠y試系統(tǒng)

摘要:熱電偶在高溫使用時容易受到材料相容性、氧化等多種因素的影響,產(chǎn)生顯著的不均勻性,需要對其進(jìn)行性能測試，以進(jìn)一步判斷其測溫精度。研制了一種新結(jié)構(gòu)的高溫管式爐,控溫?zé)犭娕疾贾梅绞接欣谔岣吆銣囟螠囟染鶆蛐?在此基礎(chǔ)上,搭建了一套高溫?zé)犭娕紲y試系統(tǒng)，并對系統(tǒng)性能進(jìn)行了理論模擬和實(shí)驗(yàn)研究。測試結(jié)果顯示,在400~1000℃范圍內(nèi),測試系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性優(yōu)于±0.25C;長度為150mm的恒溫段的溫度均勻性優(yōu)于±0.35℃,表明測試系統(tǒng)的性能夠滿足熱電偶性能測試的需求。
1.引言
　　熱電偶作為常見的溫度傳感器，廣泛應(yīng)用于多種行業(yè)的溫度測量中”;然而，高溫下長期使用的熱電偶易受偶絲氧化、材料之間相互作用等因素的影響,產(chǎn)生顯著的不均勻性,使熱電偶的測量精度受到較大的影響。因此，探索熱電偶的使用條件、使用方法及其性能的影響因素,對于提高熱電偶的測溫精度具有積極意義。
　　高溫?zé)犭娕?/a>性能測試需要在高溫恒溫系統(tǒng)中進(jìn)行，高溫管式爐系統(tǒng)是主要設(shè)備。高溫管式爐在計(jì)量行業(yè)中主要用于熱電偶、熱電阻等各類溫度傳感器的校準(zhǔn)或檢定回，同時也是生產(chǎn)廠家對熱電偶、熱電阻材料定值時的關(guān)鍵設(shè)備刀。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或控溫方式的差異，高溫管式爐雖然是一種常見的恒溫設(shè)備,但是不同高溫管式爐的性能差異較大,而且管式爐爐腔內(nèi)的溫度差異也比較大，甚至達(dá)到10℃以上。為了保證測量結(jié)果的正確性，需要對所使用的高溫管式爐確定高溫爐的恒溫區(qū)域,并測試爐溫的均勻性，以考察其是否滿足熱電偶性能測試的需求。
　　一種新結(jié)構(gòu)的高溫管式爐,在此基礎(chǔ)上，搭建了高溫?zé)犭娕紲y試系統(tǒng),通過理論模擬和實(shí)驗(yàn)對其性能進(jìn)行了研究，并對測試結(jié)果的不確定.度進(jìn)行了評價(jià)。
2高溫爐芯設(shè)計(jì)及爐內(nèi)溫度模擬
2.1高溫爐芯設(shè)計(jì)
　　高溫爐是熱電偶測試系統(tǒng)的核心部件，其性能好壞直接與測試系統(tǒng)的性能相關(guān)。為了提高性能，一般采用兩段或者三段控溫的方式;現(xiàn)有的文獻(xiàn)中控溫傳感器均安裝于加熱段的中心位置。從熱量傳遞的角度考慮，該布置方式不利于溫度補(bǔ)償段有效發(fā)揮作用。因此,采用了一種不同的控溫?zé)犭娕疾贾梅绞健?br /> 　　高溫爐補(bǔ)償段的控溫?zé)犭娕疾蹇撞⒎窃谘a(bǔ)償段正中間，而是靠近恒溫段兩端,該布置方式的測溫點(diǎn)更靠近恒溫段,對恒溫段的溫度控制更為正確，也更有利于提高恒溫段溫度均勻性。
一些文獻(xiàn)提到的管式爐均采用了氧化鋁管作為工作段,但氧化鋁在溫度變化速度較快時易破裂。為消除此隱患，在高溫管式爐加工過程中采用了爐芯模具，直接利用莫來石纖維形成的圓形空腔作為工作段。在爐芯制作工藝中,將加熱器埋入保溫材料中,距離內(nèi)壁表面4mm。在后續(xù)高溫爐使用時，加熱絲處于密實(shí)纖維的保護(hù)狀態(tài)，不與空氣直接接觸,減少了高溫氧化的可能,提高了高溫爐的壽命。
　　高溫管式爐整體結(jié)構(gòu)示意圖及軸向剖面圖見圖1所示，高溫管式爐從結(jié)構(gòu).上分為5段:頂蓋、上部補(bǔ)償段、恒溫段、下部補(bǔ)償段、底部。高溫爐呈圓柱形,外徑為200mm,爐體頂蓋高度為50mm,上部溫度補(bǔ)償段高150mm,恒溫段高300mm,下部溫度補(bǔ)償段高150mm,底部高度為100mm。高溫爐整體由多晶莫來石纖維構(gòu)成,其中氧化鋁的含量超過72%,最高使用溫度為1400C0。高溫爐中間為空心圓筒，直徑為40mm,為爐體工作區(qū)域。由2個溫度補(bǔ)償段和恒溫段組成。圖1中.上下溫度補(bǔ)償段和恒溫段的圓周側(cè)面各有1個直徑為3nmm的插孔(圖中1,2,3),用于安裝3部分的控溫?zé)犭娕迹瑹犭娕几袦卦嚯x爐體內(nèi)表面4mm;在底部設(shè)置有1個直徑6mm的通氣孔(圖中4),用于通保護(hù)氣。
 
2.2爐內(nèi)溫度模擬
　　采用Fluent對高溫爐內(nèi)溫度分布進(jìn)行了模擬。按照1:1的比例繪制測試系統(tǒng)提供溫度場環(huán)境的主要部分一三段式高溫爐，根據(jù)初步設(shè)計(jì)的實(shí)際模型簡化得到爐內(nèi)腔的幾何模型，見圖2所示。
 
　　圖2由左至右爐芯各部分分別為底部，溫度補(bǔ)償段1，恒溫段，溫度補(bǔ)償段2.端部。在使用過程中，通常高溫爐會較長時間維持在某個溫度,因此在計(jì)算過程中選擇穩(wěn)態(tài)模型。因?yàn)榧訜崞黝A(yù)埋在保溫材料中,且盡可能靠近中間腔體,外壁設(shè)置為絕熱邊.界;爐體兩端使用尺寸較厚的保溫材料.視為絕熱邊界;爐體呈豎直擺放，設(shè)定X軸負(fù)方向?yàn)橹亓Ψ较?爐內(nèi)材料為空氣，視其為理想氣體。
　　采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，根據(jù)1.769×10⁶.2.474×10⁶,8.19×10⁶網(wǎng)格數(shù)目計(jì)算結(jié)果分析,考慮計(jì)算時間成本，最終選擇2.474×10⁶數(shù)量的網(wǎng)格。
3計(jì)算結(jié)果
　　分別對該測試系統(tǒng)的三段式高溫爐控溫段的相同設(shè)置和差異化設(shè)置的工況性能進(jìn)行了模擬，比較了工作區(qū)域溫度分別為400.600.800.1000℃時爐內(nèi)的溫度分布情況。
3.1軸向溫度分布
　　圖3為三段控溫溫度設(shè)置為400℃時爐內(nèi)溫度分布，左端為爐芯底部,右端為爐芯頂部。
 
　　從恒溫段右端開始，以2cm為間隔設(shè)置1個監(jiān)控點(diǎn)，判斷恒溫段的溫度分布情況。得到各點(diǎn)溫度與恒溫段中心的溫差對比如圖4所示，橫坐標(biāo)為測溫點(diǎn)距中心點(diǎn)距離，負(fù)值表示恒溫段.上半段,正值表示恒溫段下半段.0點(diǎn)表示恒溫段中心位置。
　　由圖4可知，當(dāng)爐體三段設(shè)置為相同溫度時,恒.溫段前半段形成了較好的均勻溫度區(qū)間,溫差保持在1℃以內(nèi),但是后半段的溫度急劇下降，與前半部分的溫度相差10℃以上，甚至達(dá)到30℃。溫度在1073K及以上時，溫度均勻分布的區(qū)域更長,這是由于在1273K時,空氣具有更大的熱擴(kuò)散系數(shù),在加熱過程中,爐內(nèi)溫度趨于一.致的能力更強(qiáng),因此溫度越高,溫度均勻更好一些。均勻區(qū)域的長度更長。
 
　　根據(jù)圖中結(jié)果,對各段溫度設(shè)置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，提高了上下2個控溫段的溫度值。上段提高約20℃，下段提高約60℃,調(diào)整后恒溫段各個監(jiān)控點(diǎn)的溫差分布見圖4調(diào)整后曲線。通過比較調(diào)整前后的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，調(diào)整前各溫度恒溫段溫度均勻區(qū)間在10~15em,調(diào)整后均勻區(qū)間延長至20cm左右。由于干空氣的熱擴(kuò)散系數(shù)隨著溫度的升高而增大，因此,在673K與873K時均勻區(qū)的溫差控制在0.5℃以內(nèi),而在1073K與1273K時,溫差可以控制在0.1℃以內(nèi)。
　　因此,該高溫爐內(nèi)部通過溫度調(diào)整在軸向可以形成一個均勻的溫度分布區(qū)間，并可通過修改溫度設(shè)置達(dá)到更高的實(shí)驗(yàn)要求。
3.2徑向溫度分布
　　在熱電偶性能測試時，多根熱電偶處于同一水平面，彼此之間存在一定距離,需要對爐內(nèi)腔體同一深度平面溫度分布進(jìn)行分析。在恒溫段不同位置選取平面，在該平面上建立點(diǎn)云,均勻地選取50個點(diǎn)，讀取數(shù)據(jù)并比較。
 
　　選取恒溫段平面位置分別為5,15,25,30,35cm(爐體三維圖5(a)箭頭處)。各個溫度下不同深度處平面取點(diǎn)情況如圖5(b)所示，溫差情況見表1。
 
　　以溫度1073K為例，各個平面溫度分布如圖6所示。由圖6可知，在恒溫段軸向溫度分布均勻區(qū)域,其平面上的點(diǎn)溫度基本一致,分布均勻,且溫度無明顯波動,溫差在0.1℃內(nèi);相反在軸向溫度驟降部分,其平面上的溫度分布相當(dāng)不均勻,波動較大,并且距離均勻區(qū)越遠(yuǎn),它的溫度波動程度越大,在25cm處溫度波動在4℃左右;在30cm處溫度波動在15℃左右;而在35cm處，溫度波動達(dá)到了近40℃。因此,在爐內(nèi)軸向溫度分布均勻的區(qū)域，其橫向溫度分布也同樣均勻，在實(shí)驗(yàn)測試時,插入同一深度的熱電偶之間溫度差異對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)。
 
4測試系統(tǒng)
　　高溫?zé)犭娕夹阅軠y試系統(tǒng)由高溫管式爐、控溫模塊和測溫模塊組成,見圖7所示。
 
　　熱電偶測試系統(tǒng)的控溫模塊由控溫傳感器熱電偶、溫度控制器和功率調(diào)節(jié)模塊組成。通過測量爐溫的熱電偶的信號反饋,由溫控器比較實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的差值，改變輸出的電流信號，并傳遞給后面的調(diào)壓模塊,控制輸入高溫爐電壓的加熱量，實(shí)現(xiàn)高溫爐系統(tǒng)的溫度控制。控溫?zé)犭娕疾捎肙MEGA公司生產(chǎn)的N型熱電偶,直徑3mm,保護(hù)殼體為Inconel600合金;所有測溫?zé)犭娕嫉膮⒖级司胖迷?個45C的恒溫容器內(nèi)，該恒溫容器由Pt100鉑電阻、固態(tài)繼電器以及溫控器組成，繼電器由1個5V的直流穩(wěn)壓電源供電。鉑電阻測溫反饋到溫控器從而控制繼電器通斷，使溫度保持在45℃。選用Eurotherm溫控器進(jìn)行溫度控制。.
溫度測量模塊由測量儀表和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶組成。測試儀表包括2臺8位半的數(shù)字萬用表(Fluke8508A和Agilent3458A)、1臺7位半的數(shù)字萬用表(Agilent34972A)。標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10鉑熱電偶是用于.溫度在300~1300℃范圍內(nèi)溫度量值傳遞的主要計(jì)[1]量器具J,因此實(shí)驗(yàn)所用的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶為1支自制且經(jīng)過校準(zhǔn)的S型熱電偶，熱電偶絲采用云南貴金屬研究所生產(chǎn)的的純度為99.9%鉑銠10-鉑貴金屬合金絲，直徑為0.3mm;采用純度為99%，直徑為3mm的氧化鋁雙孔管作為絕緣管,1支直徑為6mm的高純氧化鋁封頭管作為保護(hù)管。測試系統(tǒng)工作時,采用Fluke8508A測量標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的輸出信號，Agilent3458A和Agilent34972A用于測量待測試熱電偶的輸出。為了便于進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，編制了基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集程序，通過USB-GPIB電纜與測量儀表通訊,進(jìn)行數(shù)據(jù)自動采集、顯示以及分析等。
整個實(shí)驗(yàn)裝置放置在距離地面50mm的鋁型材框架上，保證高溫爐的上、下兩端處于同樣的空氣環(huán)境中。.
5熱電偶測試系統(tǒng)性能評價(jià)
　　熱電偶性能測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和均勻性是2個非常重要的指標(biāo)。穩(wěn)定性是指測試系統(tǒng)工作穩(wěn)定后其溫度隨時間的變化情況:均勻性是指測試系統(tǒng)有效溫度區(qū)域的溫度分布情況。溫度穩(wěn)定性的測試方法為利用1支溫度特性已知、性能可靠的熱電偶作為傳感器.依次在測試系統(tǒng)的工作溫度范圍內(nèi)的各個點(diǎn)進(jìn)行測量:溫度均勻性采用多點(diǎn)測量法進(jìn)行測試，即用網(wǎng)種規(guī)格的熱電偶對不同的位置點(diǎn)進(jìn)行溫度測量.觀察各個點(diǎn)的溫度值。選擇的是使用同1根S型熱電偶對高溫爐恒溫段不同點(diǎn)進(jìn)行溫度測量。并使用Agilent3458A記錄熱電偶的輸出。
5.1均勻性測試
　　首先對測試系統(tǒng)高溫爐恒溫段進(jìn)行了軸向均勻性的測試.根據(jù)其使用范圍.在4個溫度點(diǎn)進(jìn)行了測試。分別為:400.600.800.1000℃.該4個溫度為3個溫控器.上的設(shè)定讀數(shù)。當(dāng)3個溫控器上的讀數(shù)均達(dá)到設(shè)定溫度.并穩(wěn)定1h后.采用S型熱電偶測量恒溫段不同位置處的溫度.并以恒溫段中心的溫度.為參考值.計(jì)算不同位置處與中心溫度的偏差值.結(jié)果見圖8所示。
 
　　由圖8可知.由于高溫爐腔體內(nèi)空氣自然對流的影響.恒溫段的溫度自頂端向下依次降低.最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的溫度差將近60℃.可見.通過簡單設(shè)置溫控器的參數(shù)使恒溫段的溫度均勻性達(dá)到令人滿意的效果并不現(xiàn)實(shí)。必須依據(jù)恒溫段內(nèi)部各點(diǎn)的溫度差分布規(guī)律作為參考設(shè)置溫度控制參數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn).盡管高溫爐爐體的保溫層厚度基本均勻一致.但是由于自然對流的影響.即使是維持相同的溫度.頂部所需的功率比底部所需功率要少。在爐體設(shè)計(jì)時也可以通過調(diào)整不同位置處的保溫層厚度提高爐溫的均勻性。
　　該測溫結(jié)果與模擬結(jié)果一致.在三段爐均設(shè)置相同溫度時.恒溫段的上半段均勻性較好.溫度差值不大.而下半段的溫度急劇下降。通過對設(shè)定溫度進(jìn)行調(diào)整.能夠增加溫度均勻部分的范圍.下段相對恒溫段提高溫度在60~70℃.上段相對恒溫段提溫在20℃以內(nèi)。與模擬結(jié)果基本一致。本次調(diào)整結(jié)果
溫差在1℃以內(nèi).可達(dá)到實(shí)驗(yàn)需求.故不再調(diào)整。
　　根據(jù)高溫爐恒溫段爐溫的初始分布情況.對3個溫控器的參數(shù)進(jìn)行多次調(diào)整.將恒溫段中部1/2長度部分.即距離中心上下各75mm部分定義為工作區(qū).調(diào)整溫度控制器的參數(shù)。使工作區(qū)沿軸線方向的溫差不超過1℃。分別對400.600.800.1000℃附近的溫度點(diǎn)進(jìn)行了調(diào)整.調(diào)整后.以S型熱電偶為.測溫傳感器.Agilent3458A為測溫設(shè)備。對高溫爐恒溫段.特別是工作區(qū)的溫度進(jìn)行了詳細(xì)測量.結(jié)果見表2所示。
 
　　根據(jù)表2中的溫度值，計(jì)算不同位置處與中心溫度的偏差值并將此調(diào)整后數(shù)據(jù)顯示于圖8中。由圖8可知，分別對高溫爐各段控制參數(shù)調(diào)整后，高溫爐工作區(qū)的溫度的差值為0.7℃,即工作區(qū)軸向均勻性可以達(dá)到±0.35℃。同時由圖6也可以看出,在工作區(qū)軸向均勻性達(dá)到±0.35℃時,高溫爐恒溫段的最大溫差可以達(dá)到大約13℃,即恒溫段的軸向均勻性為±6.5℃左右。工作區(qū)的長度為150mm,恒溫段的長度為300mm,二者的均勻性相差將近20倍，說明在高溫爐恒溫段軸線均勻性與溫度測點(diǎn)距離恒溫段中心的長度關(guān)系非常密切。根據(jù)熱電偶檢定爐溫度場測試技術(shù)規(guī)范，“廉金屬偶爐在均勻溫度場長度不小于60mm,半徑不大于14mm范圍內(nèi)，任意兩點(diǎn)間溫差不大于1℃，熱電偶測試系統(tǒng)(9118A)的軸向均勻性指標(biāo)為±0.25℃,比測試系統(tǒng)的均勻性指標(biāo)略好;但是Fluke9118A的均勻性指標(biāo)對應(yīng)的工作區(qū)長度只有60mm,而高溫爐的均勻性指標(biāo)對應(yīng)的工作區(qū)長度為150mm。根據(jù)圖8中均勻性隨工作區(qū)長度變化的趨勢,如果工作區(qū)長度定義.為60mm,測試系統(tǒng)的軸向均勻性至少與Fluke9118A的指標(biāo)相當(dāng),甚至高于其性能。故此實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足對高溫管式爐均勻性的預(yù)期要求。
5.2穩(wěn)定性測試
　　在400~1000℃范圍內(nèi)，對高溫爐溫度達(dá)到設(shè)定值后1h內(nèi)的溫度變化情況進(jìn)行了測試，結(jié)果見圖9。高溫爐的溫度設(shè)定依據(jù)滿足均勻性指標(biāo)的溫度控制器的參數(shù)確定。采用S型熱電偶作為測溫傳感器，將s型熱電偶插入一定深度,使其感溫節(jié)點(diǎn)處于高溫爐工作段中心位置，當(dāng)溫度穩(wěn)定后，采用Agilent3458A作為測試設(shè)備,記錄1h的s熱電偶測量結(jié)果。
 
　　由圖9可知,在1h內(nèi),恒溫段內(nèi)工作區(qū)的溫度在小范圍內(nèi).上下波動,沒有明顯的降低與升高;在449℃至976℃溫度區(qū)間內(nèi),高溫爐的工作區(qū)的溫度在1h內(nèi)的溫度穩(wěn)定性優(yōu)于±0.25℃。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試,在449℃,600℃,806℃,976℃等4個溫度點(diǎn)的溫度波動性分別為±0.15℃，±0.14℃,±0.12℃,±0.1℃。Fluke熱電偶測試系統(tǒng)(9118A)30回min內(nèi)的穩(wěn)定性指標(biāo)為±0.2℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明的測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性與Fluke熱電偶測試系統(tǒng)(9118A)的性能基本相當(dāng),滿足高溫?zé)犭娕夹阅軠y試的需要。
6不確定度分析
　　高溫爐不確定度分析包括:電測設(shè)備測量誤差、爐內(nèi)軸向溫度場的不均勻性、爐溫波動、參考端溫度引入的不確定度、標(biāo)準(zhǔn)偶引入的不確定度和重復(fù)性測量誤差。表3為不確定度分量匯總。
 
　　電測設(shè)備引入的不確定度u根據(jù)3458A用戶手冊計(jì)算得到;爐內(nèi)軸向溫度場均勻性u2和波動引入的不確定度u3根據(jù)不同溫度下測得的溫度數(shù)據(jù)計(jì)算得到;經(jīng)實(shí)際測量,熱電偶參考端恒溫器各個插孔之間的溫差約0.05℃,以s型熱電偶進(jìn)行計(jì)算，得到參考端引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4為0.185μV;S型熱電偶的測量不確定度us由檢定證書及不同溫度下S型熱電偶測量值的重復(fù)性計(jì)算。
　　合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc為:
 
　　根據(jù)U=kuc，包含因子h=2,計(jì)算擴(kuò)展不確定度，并根據(jù)不同溫度相應(yīng)的塞貝克系數(shù)計(jì)算對應(yīng)的溫度不確定度，得到最大的溫度不確定度,即449℃時的1.72℃。
7結(jié)論
　　設(shè)計(jì)了高溫?zé)犭娕己銣貭t并對其內(nèi)部的溫度分布進(jìn)行了模擬，以此為基礎(chǔ),搭建了高溫?zé)犭娕夹阅軠y試系統(tǒng)。開展了高溫?zé)犭娕夹阅軠y試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和均勻性的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:高溫爐中心區(qū)域長度為150mm的工作區(qū)的均勻性為±0.35℃，穩(wěn)定性為±0.25℃，與目前性能較好的Fluke熱電偶測試系統(tǒng)(9118A)的性能相當(dāng)，不確定度評定結(jié)果表明測試系統(tǒng)能夠滿足熱電偶性能實(shí)驗(yàn)研究的需求。