鎧裝熱電偶校準用精密熱電偶校驗爐

王震森 喬 輝 曹福賓

(上海工業(yè)自動化儀表研究院，上海 200233)

0 引言

鎧裝熱電偶早已大量應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，但它們的校準卻一直沿用裝配式熱電偶的校準方法和設(shè)備。相應(yīng)的檢定規(guī)程對校驗爐的溫度場的要求是:最高均勻溫場中心與爐軸向幾何中心偏離不超過10 mm，空載時，1℃的均勻溫區(qū)不小于 60 mm［1］。

2008～2009年，在制訂鎧裝熱電偶的校準規(guī)范過程中，遼寧計量院經(jīng)過相關(guān)試驗與研究，確認了目前通用的單段加熱管形爐是校準中最大的不確定度來源，其性能無法滿足校準的要求［2］。規(guī)范對校準用恒溫設(shè)備作出了明確要求:設(shè)備需配置均溫塊;熱電偶插入均溫塊的深度與孔徑之比大于10∶1;從孔底算起，軸向30 mm內(nèi)溫差不大于0.5 K;孔底部同一截面任意孔間的溫度差絕對值不大于 0.25 K［3］。

為滿足鎧裝熱電偶校準規(guī)范的要求，減少熱電偶校準的不確定度，研發(fā)了具有較寬均勻溫區(qū)、插孔溫度一致性理想以及溫度穩(wěn)定性好的精密熱電偶校驗爐。

1 原有校驗爐存在的問題

原有校驗爐的爐體一般采用臥式管狀加熱爐結(jié)構(gòu)。校驗爐常采用單段加熱絲加熱，加熱絲繞制成不等距方式，以便在中心區(qū)域獲得較寬的等溫工作區(qū)。這種校驗爐的主要問題是等溫區(qū)太短，因而校準時被檢熱電偶向外導(dǎo)熱及校驗爐自身對外的傳熱會影響實際的溫度場，從而影響熱電偶檢驗的結(jié)果［4］。這種影響表現(xiàn)為兩個方面，即校驗爐與各被檢熱電偶間的熱交換狀況不一致且不同時間的熱平衡點存在差異。

1.1 溫度場的影響

校驗爐工作區(qū)溫度場的變化會影響到校驗爐與被檢熱電偶間的熱交換狀況以及熱平衡點的結(jié)果。首先溫度場的變化會導(dǎo)致標準和被校熱電偶測量端的溫度不一致，且溫度會隨位置變化。裝配式熱電偶校準時，將熱電偶的保護管卸下，然后只需將熱電極及絕緣管(即熱電極組件)與標準熱電偶置于校驗爐中加以比較。在比較過程中，被校熱電偶的測量端與標準熱電偶的測量端可以很接近，它們之間的溫差通常會較小，不會帶來較大的不確定度。不過在校準偶絲較粗(直徑2.5 mm或3 mm)的熱電偶時，仍會帶來較大的不確定度。在校準鎧裝熱電偶，尤其是校準直徑較大(直徑5 mm或6 mm)的熱電偶時，由于熱電偶的測量端接點在鎧裝金屬保護管內(nèi)，其相對于鎧裝熱電偶測量端面的位置是不確定的，與標準熱電偶的測量端可能會有較大距離，存在一定溫差。校準時，幾支被校鎧裝熱電偶扎成一捆，會引起較強的軸向?qū)幔箿貓鱿啾瓤蛰d時大大惡化，等溫區(qū)變得更小，溫度場對校準結(jié)果的影響量更大。

此外，臥式爐的工作區(qū)內(nèi)存在徑向的對流，造成同一截面上不同位置的被校熱電偶溫度有差異。只有使用均溫塊，才能減小校準時存在的徑向溫差。

1.2 不同時間熱平衡點的差異

當(dāng)?shù)葴貐^(qū)太小時，被檢熱電偶及校驗爐自身對外的傳熱會使實際的溫場很容易隨時間變化，并影響到熱電偶檢驗的結(jié)果。即使在同一個溫度點，先后兩次的測試數(shù)值也會產(chǎn)生差異，因為校驗爐在不同時間的熱平衡點是不一樣的。因此，在熱電偶檢驗過程中，熱電偶的后一次(熱平衡時間長)試驗數(shù)據(jù)往往比前一次(熱平衡時間短)的試驗值高。

上述情況會造成鎧裝熱電偶校準時產(chǎn)生較大的不確定度。經(jīng)驗表明，如果對鎧裝熱電偶進行重新捆扎裝爐校準，校準數(shù)據(jù)一般相差1 K左右。這也是熱電偶生產(chǎn)廠商、用戶以及計量部門的測試數(shù)據(jù)經(jīng)常不能吻合的主要原因。只有在具有足夠大等溫區(qū)域的校驗爐中，且被檢熱電偶及校驗爐自身對外的導(dǎo)熱不再影響到熱電偶檢驗的結(jié)果時，被校與標準熱電偶間的位置變化及校驗爐不等溫分布區(qū)域的熱平衡點變化才不會影響到試驗值。

2 精密熱電偶校驗爐的設(shè)計

2.1 精密熱電偶校驗爐設(shè)計思想

針對原有校驗爐存在的問題，精密熱電偶校驗爐從以下三個方面作了相應(yīng)改進。

①為擴大等溫工作區(qū)域，減小被校熱電偶及校驗爐爐體本身對外的傳熱影響，精密熱電偶校驗爐的爐體部分采用內(nèi)外二級爐體結(jié)構(gòu)與控溫系統(tǒng)［5－6］。當(dāng)外級的工作溫度接近內(nèi)級的工作溫度時，內(nèi)級對外的傳熱可降到最低，因此校驗爐可獲得較寬的均溫工作區(qū)。

②為了減小熱電偶校驗爐在校準中試驗數(shù)據(jù)離散性，精密熱電偶校驗爐采用插孔方式安置熱電偶，以提高各支被校熱電偶與校驗爐之間的熱交換結(jié)果的一致性。

③為了進一步減小被校熱電偶對外導(dǎo)熱的影響，在校驗爐爐口部位設(shè)置補償加熱器。

2.2 熱電偶校驗爐溫度控制

熱電偶校驗爐的溫度控制原理框圖如圖1所示。

圖1 校驗爐的溫度控制原理框圖Fig.1 Temperature control principle of the calibration furnace

校驗爐由控溫?zé)犭娕寂溆脭?shù)字溫度控制儀指示并控制工作溫度。工作區(qū)均溫塊及爐管的溫度分別由控溫?zé)犭娕?和控溫?zé)犭娕?檢測，再由數(shù)字溫控儀控制輸出1和輸出2;然后分別通過可控硅1和可控硅2控制均溫塊及爐管兩加熱器的加熱功率，以控制均溫塊及爐管的工作溫度。爐管的溫度接近并略低于均溫塊的工作溫度，從而減小均溫塊對外的熱傳導(dǎo)，使校驗爐在軸向和徑向均有一個較大的均溫工作區(qū)。為減小校驗爐爐口對外傳熱的影響，在校驗爐爐口位置設(shè)置了輔助加熱器?？販?zé)犭娕?首先檢測校驗爐爐口位置的工作溫度，然后由數(shù)字溫控儀控制輸出3，并通過可控硅3控制校驗爐爐口位置的溫度，從而進一步提高校驗爐工作區(qū)域的溫度均勻性。

3 性能試驗結(jié)果

采用一等標準鉑銠10-鉑熱電偶，配用Agilent34420A數(shù)字多用表，對精密熱電偶校驗爐工作溫度穩(wěn)定性、插孔間溫度一致性以及插孔內(nèi)軸向溫度均勻性等幾項性能進行了考核，其試驗結(jié)果分別分析如下。

3.1 工作溫度穩(wěn)定性

采用一等標準鉑銠10-鉑熱電偶測定精密熱電偶校驗爐的工作溫度，30 min內(nèi)記錄Agilent34420A數(shù)字多用表上熱電偶的熱電勢值，并將熱電勢值的變化量折合成溫度變化值，計算得到的熱電偶校驗爐的工作溫度穩(wěn)定。試驗結(jié)果表明，校驗爐30 min內(nèi)最大的工作溫度變化為±0.10 K。

3.2 插孔內(nèi)軸向溫度均勻性

采用2支一等標準鉑銠10-鉑熱電偶以及Agilent34420A數(shù)字多用表，測定精密熱電偶校驗爐插孔的均溫區(qū)域。其中一支標準鉑銠10-鉑熱電偶插入插孔底部位置，以測定校驗爐的溫度變化;另一支標準鉑銠10-鉑熱電偶測定插孔底部起不同位置的溫度值，扣除校驗爐的溫度變化量，獲得校驗爐插孔的溫度分布。精密熱電偶校驗爐各個溫度點的插孔溫度均勻性如表1所示。

表1 插孔溫度均勻性Tab.1 Temperature equilibrium along thermometer well

試驗結(jié)果表明，校驗爐插孔自底部起100 mm范圍內(nèi)的溫度差異不大于0.5 K。

3.3 插孔間溫度一致性

采用2支一等標準鉑銠10-鉑熱電偶以及Agilent34420A數(shù)字多用表測定精密熱電偶校驗爐插孔的溫度。其中一支標準鉑銠10-鉑熱電偶測定校驗爐的溫度變化;另一支標準鉑銠10-鉑熱電偶測定不同插孔的溫度值，扣除校驗爐的溫度變化量，獲得校驗爐各個插孔間的溫度差異。試驗結(jié)果表明，校驗爐插孔溫度一致性優(yōu)于0.20 K。

4 鎧裝熱電偶校準不確定度

4.1 鎧裝熱電偶校準試驗結(jié)果

采用5支一等標準S熱電偶校準￠5鎧裝熱電偶(K1、K2、K3、K4、K5)，每次鎧裝熱電偶均安置在校驗爐不同的插孔位置。當(dāng)工作溫度為400℃和800℃時，6次試驗結(jié)果如表2和表3所示，試驗標準差如表4所示。

表2 工作溫度為400℃的試驗結(jié)果Tab.2 Calibration results at 400 ℃

表3 工作溫度為800℃的試驗結(jié)果Tab.3 Calibration results at 800 ℃

表4 試驗標準差Tab.4 Experimental standard deviation

標準差S的計算公式如下:

遼寧計量院在進行相關(guān)研究后發(fā)現(xiàn)，單段加熱臥式管形爐(不帶均溫塊)用于校準5支鎧裝熱電偶時，6次分度標準差的平均值在400℃和800℃時，分別為0.25 K和0.33 K，不能滿足鎧裝熱電偶校準時要求。表4的數(shù)值表明6次分度標準差的平均值分別為0.05 K和0.08 K，數(shù)據(jù)的離散性明顯縮小。

4.2 不確定度校準

采用一等標準S熱電偶在400℃與800℃工作溫度時校準鎧裝熱電偶。在校準過程中，標準不確定度的來源主要有被校鎧裝熱電偶多次測量的不重復(fù)性、標準S熱電偶不確定度、電測設(shè)備的測量誤差、校驗爐的性能(工作溫度穩(wěn)定性、插孔溫度一致性與插孔軸向溫度均勻性)、轉(zhuǎn)換開關(guān)的寄生電勢以及熱電偶參考端溫度不等于0℃等。

經(jīng)計算，以一等標準S熱電偶在400℃與800℃校準鎧裝熱電偶時的不確定度為:

校準鎧裝熱電偶時的擴展不確定度即為［7］:

5 結(jié)束語

與以往的熱電偶校驗爐相比，精密熱電偶校驗爐在工作溫度穩(wěn)定性、插孔溫度一致性及插孔溫度均勻性等方面的技術(shù)性能都有明顯的提高。技術(shù)性能完全符合鎧裝熱電偶校準規(guī)范對熱電偶校驗爐提出的相關(guān)要求。

與以往熱電偶校驗爐的結(jié)構(gòu)相比較，插孔結(jié)構(gòu)的安裝方式大大提高了校驗爐與各支熱電偶之間的傳熱一致性，并降低了校準熱電偶時的數(shù)據(jù)離散性。精密熱電偶校驗爐用于校準鎧裝熱電偶時的擴展不確定度為0.34 K，完全可應(yīng)用于Ⅰ級工業(yè)熱電偶(允差最小值為 1.5 K)的校準［8－10］。

［1］國家技術(shù)監(jiān)督局.JJG 351-1996工作用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程［S］.北京:中國計量出版社，1997.

［2］王浩.管形熱電偶檢定爐均勻溫場的研究［J］.中國計量，2010(10):17－19.

［3］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJF 12622-2010鎧裝熱電偶校準規(guī)范［S］.北京:中國計量出版社，2010.

［4］王魁漢.溫度測量實用技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006:201－212.

［5］王震森，馬洪其.80～500℃溫度計精密校驗裝置［J］.自動化儀表，1994，15(8):18 －21.

［6］Ma Hongqi，Wang Zhensen.A precision 400 ～1084 ℃ thermometer calibration facility using heat-pipe technology［C］∥International Symposium of Temperature Measurement in Industry and Science，Beijing:1986.

［7］國家技術(shù)監(jiān)督局.JJF 1059-1999測量不確定度評定與表示［S］.北京:中國計量出版社，1999.

［8］國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 16839.2-1997熱電偶第二部分允差［S］.北京:中國標準出版社，1998.

［9］國家機械工業(yè)局.JB/T 9238-1999工業(yè)熱電偶技術(shù)條件［S］.北京:機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所，1999.

［10］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 18404-2001鎧裝熱電偶電纜及鎧裝熱電偶［S］.北京:中國標準出版社，2002.