管式熱電偶檢定爐的溫場改進(jìn)

摘要:傳統(tǒng)的管式電熱偶檢定爐的溫場在不同溫度下不一致且無法調(diào)節(jié),在實(shí)際測試中給測試結(jié)果帶來了較大的不確定度。文章通過改造管式電阻爐的控溫方式,即通過三段控溫的方法,使得檢定爐的溫場可調(diào)節(jié),并大大提高其技術(shù)指標(biāo),從而降低了校準(zhǔn)時(shí)的測量不確定度。
       熱電偶是常用的測溫原件，由于受到測量環(huán)境、使用溫度等因素影響，熱電偶長期使用后測量正確性會(huì)發(fā)生變化,所以熱電偶需要定期檢定。檢定時(shí)通常采用比較法，將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和被檢熱電偶放置在均勻恒溫場中比較，而熱電偶檢定爐就是用來提供恒溫溫場的。管式檢定爐由于結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉是常用的熱電偶檢定爐。
       國家計(jì)量檢定規(guī)程中要求，檢定工作用廉金屬熱電偶的檢定爐在測試溫度1000℃時(shí)，均勻溫場長度不小于60mm,半徑14mm范圍內(nèi),任意兩點(diǎn)間溫度差不大于1℃;檢定工作用貴金屬熱電偶的檢定爐在測試溫度1100℃時(shí)，溫度最高點(diǎn)土20mm內(nèi)有溫度變化梯度≤04℃/10mm的均勻溫場。
1存在的問題
       按照J(rèn)JF1184- 2007《熱電偶檢定爐溫度場測試技術(shù)規(guī)范》中提到的測試方法,溫場測試是在空載中完成的。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在放置被檢熱電偶后,由于熱傳導(dǎo)效應(yīng),爐溫的溫場指標(biāo)會(huì)變差。測試是在指定溫度(1000℃和1100℃)進(jìn)行的,低溫段的溫場不一定能滿足指標(biāo)。而在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn),低溫段和高溫段均溫溫場位置有發(fā)生偏移的現(xiàn)象,低溫段相較高溫段需要更長的穩(wěn)定時(shí)間。在實(shí)際工作中,可以通過加恒溫塊的方法可以提高溫場的技術(shù)指標(biāo),但在實(shí)際檢測中,各種不同規(guī)格的熱電偶需要不同規(guī)格的恒溫塊,操作時(shí)也不是很方便,恒溫塊在檢定貴金屬熱電偶也存在沾污標(biāo)準(zhǔn)器的問題而無法使用。
       這些都是由檢定爐的特性決定的,檢定爐主要由外殼、保溫層、加熱元件、爐膛四部分組成。爐膛一般是由陶瓷材料做成,而陶瓷材料屬于熱的不良導(dǎo)體。爐膛與電熱絲之間熱量傳導(dǎo)的介質(zhì)是空氣,而空氣也屬于熱的不良導(dǎo)體，所以檢定爐內(nèi)部的熱量傳導(dǎo)方式不能簡單的用線性系統(tǒng)理論來描述。目前常規(guī)的管式電阻爐采用自然降溫法,導(dǎo)致了檢定爐升溫和降溫過程中模型的不-致。檢定爐的固有特性是升溫單向性、非線性、滯后性大慣性、時(shí)變性,并且降溫難,無調(diào)節(jié)手段。在實(shí)際系統(tǒng)中,爐溫的控制系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜又很難用數(shù)學(xué)公式描述。
2多段控溫改進(jìn)溫場
       常用的管式電阻爐由纏繞在爐管外的電熱絲進(jìn)行加熱,在爐管外加耐高溫材料和保溫棉,控溫偶放置在爐體中心位置,采用單點(diǎn)控溫的方法。爐體的恒溫溫場在爐體的中心位置附近，通過調(diào)節(jié)保溫磚和保溫棉使?fàn)t體溫場達(dá)到要求。單點(diǎn)控溫的管式爐最高溫度點(diǎn)在爐體的中心位置,在一- 段位置溫度差變化較小，而離開這個(gè)溫區(qū)后,越是靠近爐口位置,溫度變化越大。而通過采用多段控溫的方法,可以極大的提高溫場,并且可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。
       為了調(diào)節(jié)方便和對(duì)稱性考慮，我們采用三段控溫的方法來提高管式爐的溫場。將原有管式爐的電熱絲分為三段每-段單獨(dú)配有一個(gè)控溫?zé)犭娕?將三支控溫?zé)犭娕歼B接到三路控溫表上。控溫儀采用島電三路控溫表,結(jié)合調(diào)相板、交流接觸器和可控硅以及控溫?zé)犭娕冀M成測溫、控制調(diào)節(jié)回路。控制用熱電偶將檢定爐的溫度信號(hào)送給控溫儀，與設(shè)定值比較后,溫控表顯示出測量的溫度值,并同時(shí)輸出(4~20)mA電流，可控硅電壓調(diào)整器隨著(4~20)mA電流的變化,自動(dòng)改變輸出脈沖的寬度,來控制可控硅輸出電壓的高低,從而挖制檢定爐溫度。通過調(diào)節(jié)三個(gè)控溫位置熱電偶的溫度修正值即可調(diào)節(jié)爐子的溫度場。如圖1所示。

3溫場測試及調(diào)試
       檢定爐正常工作后,開始調(diào)試工作,利用控溫表對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行自整定,通過編制相關(guān)軟件將控溫表中參數(shù)保存下來,方便日后該檢定爐在不同溫度點(diǎn)的控制。以常用溫度800℃進(jìn)行測試調(diào)試,按照J(rèn)JF1184-2007《熱電偶檢定爐溫度場測試技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行溫度場空載測試,未調(diào)試前檢測結(jié)果如表1所示,其中，“0”是指檢定爐中心點(diǎn)位置,“1”和“-1"表示距離中心點(diǎn)左右10mm距離,其他數(shù)字依次類推。
測試結(jié)果如表1所示，該檢定爐在800℃的溫場顯示該爐子溫場右側(cè)高,左側(cè)低在(-3-3)范圍內(nèi)溫度差為12℃。結(jié)合控溫偶所在位置綜合考慮,將右側(cè)控溫偶的修正值提高10℃, 將左側(cè)控溫偶的修正值減少20℃,等待爐子重新穩(wěn)定后,以同樣的方法再次進(jìn)行空載測試,測試結(jié)果如表2所示,調(diào)整后該爐子在(-5~4)范圍內(nèi)溫度差為09℃,在(-5~2)范圍內(nèi)的溫度差只有05℃,大大優(yōu)于規(guī)范上的要求，調(diào)試結(jié)果令人滿意。

按照此方法,可以將常用溫度點(diǎn)的溫場進(jìn)行調(diào)試，數(shù)據(jù)保存,方便軟件控制。而測試結(jié)果也驗(yàn)證了三段控溫的可行性,測試結(jié)果令人滿意。三段控溫使得爐子的溫場可以調(diào)節(jié),可操作性好,可以根據(jù)自己的需要調(diào)節(jié)溫場,對(duì)于降低測量不確定度有著不錯(cuò)的效果。