基于熱電偶校準(zhǔn)的精確校驗(yàn)爐設(shè)計(jì)思考

井　彬,陳英濤,于　藝（沈陽(yáng)航空航天大學(xué),沈陽(yáng)　110136）

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基于熱電偶校準(zhǔn)的精確校驗(yàn)爐設(shè)計(jì)思考

井彬,陳英濤,于藝
（沈陽(yáng)航空航天大學(xué),沈陽(yáng)110136）

摘 要：現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，熱電偶已經(jīng)廣泛普及于科技領(lǐng)域的各個(gè)行業(yè)?；阪z裝熱電偶校準(zhǔn)應(yīng)用的校驗(yàn)爐精準(zhǔn)度要求更高、應(yīng)用更加科學(xué)。本文參閱相關(guān)參考資料，對(duì)精密熱電偶校驗(yàn)爐的研究與運(yùn)用提出新的試驗(yàn)型設(shè)計(jì)思路。本設(shè)計(jì)可有效提升熱電偶校準(zhǔn)使用過(guò)程中的精準(zhǔn)度，表現(xiàn)出良好的應(yīng)用性能。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)思路；應(yīng)用科研；鎧裝熱電偶；校驗(yàn)爐

鎧裝熱電偶，是一種比較成熟的應(yīng)用科技，提高鎧裝熱電偶的精準(zhǔn)度，其基本思路應(yīng)該是確保鎧裝熱電偶校準(zhǔn)的精準(zhǔn)度更加符合規(guī)范要求，在設(shè)計(jì)思路上應(yīng)盡可能減少對(duì)熱電偶校準(zhǔn)的不確定性因素，從而提升熱電偶校驗(yàn)爐的精準(zhǔn)度和緊密性。由基于此，精準(zhǔn)度校驗(yàn)爐的設(shè)計(jì)思路首先必須要求有比較寬泛的均勻溫區(qū)，從而保證也有比較寬泛的插孔溫度溫區(qū)，同時(shí)也提升了溫度的穩(wěn)定性。

1　舊有校驗(yàn)爐問(wèn)題分析

傳統(tǒng)使用的校驗(yàn)爐爐體基本是管狀臥的加熱結(jié)構(gòu)，對(duì)加熱爐的加熱過(guò)程是呈段性的、制成距離不相等的加熱絲進(jìn)行加熱的一個(gè)過(guò)程。其存在著嚴(yán)重的缺陷。主要表現(xiàn)為等溫區(qū)距離太短，從而導(dǎo)致熱電偶向外導(dǎo)熱與實(shí)際溫場(chǎng)產(chǎn)生誤差，而且校驗(yàn)爐自身對(duì)外的傳熱也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的誤差，進(jìn)而導(dǎo)致疊加誤差，最終導(dǎo)致較大的誤差檢測(cè)結(jié)果，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中，經(jīng)常表現(xiàn)為校驗(yàn)爐與各個(gè)被檢熱電偶間的熱交換狀況不一致，熱平衡點(diǎn)在不同的時(shí)段存形成數(shù)據(jù)差異。

1.1溫度場(chǎng)的影響

溫度場(chǎng)的數(shù)據(jù)，是校驗(yàn)爐與被檢熱電偶的之間的第一參考數(shù)據(jù)。是兩者之間的熱交換狀況和熱平衡點(diǎn)數(shù)據(jù)形成的基礎(chǔ)。校驗(yàn)爐工作區(qū)溫度場(chǎng)的變化對(duì)其結(jié)果產(chǎn)生影響。從邏輯關(guān)系來(lái)講，溫度場(chǎng)的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的變化會(huì)形成對(duì)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶及被校熱電偶的測(cè)量端的溫度數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。并且，隨著操作位置的變換，其溫度差異會(huì)被進(jìn)一步異化。如果直徑非常大的鎧裝熱電偶校準(zhǔn)，由于熱電偶的測(cè)量端節(jié)點(diǎn)在金屬保護(hù)管中，這樣就與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的測(cè)量端節(jié)點(diǎn)形成非常大的距離，從而導(dǎo)致誤差溫度的出現(xiàn)。實(shí)踐中，試驗(yàn)元素被捆扎在一起時(shí)即已經(jīng)會(huì)導(dǎo)致軸向?qū)岈F(xiàn)象的出現(xiàn)，在這個(gè)時(shí)間結(jié)點(diǎn)上，現(xiàn)場(chǎng)溫場(chǎng)已經(jīng)要比空載時(shí)的溫場(chǎng)環(huán)境惡化許多。再者，由于臥式爐自生的構(gòu)造特點(diǎn)，在其工作區(qū)中，會(huì)存在徑向?qū)α鳜F(xiàn)象，這就會(huì)形成同樣一個(gè)截面，但仍然準(zhǔn)在溫度誤差的現(xiàn)象。為此，確保校準(zhǔn)時(shí)徑向溫差的減小，則需要有效的使用均溫區(qū)塊。

1.2熱平衡點(diǎn)的時(shí)差與誤差

在溫測(cè)校驗(yàn)過(guò)程中，如果熱溫區(qū)塊特別小，由于檢測(cè)元素自身的對(duì)外導(dǎo)熱與傳熱，從而在實(shí)際檢測(cè)上會(huì)造成溫場(chǎng)數(shù)據(jù)的變化，從而對(duì)熱電偶檢測(cè)結(jié)果形成誤差影響。對(duì)于同一測(cè)溫點(diǎn)來(lái)說(shuō)，在不同的時(shí)段進(jìn)行測(cè)試，由于校驗(yàn)爐自身的熱平衡點(diǎn)不完全一樣，也會(huì)形成時(shí)間上的測(cè)溫誤差。因此，在實(shí)際操作過(guò)程中，對(duì)于熱電偶的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，后者的數(shù)據(jù)往往要比前者的數(shù)據(jù)要高。

基于以上分析，鎧裝熱電偶校準(zhǔn)的不準(zhǔn)確性會(huì)存在多種因素的影響，很難以完全避免。這也就成為生產(chǎn)廠商、經(jīng)營(yíng)者以及實(shí)驗(yàn)者、包括計(jì)量部門的實(shí)際操作使用過(guò)程中檢測(cè)數(shù)據(jù)在很多清況下都不一樣的原因。避免此類誤差的一個(gè)值得考慮的唯一選項(xiàng)是校驗(yàn)爐自身的等溫區(qū)足夠大。足夠大的等溫區(qū)可以確保校驗(yàn)元素即被檢驗(yàn)的熱電偶和校驗(yàn)爐此兩者自身的對(duì)外導(dǎo)熱均不會(huì)對(duì)熱電偶檢驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。同時(shí)，足夠大的等溫區(qū)也足以使校驗(yàn)爐不等溫分布區(qū)域的熱平衡點(diǎn)及被校標(biāo)準(zhǔn)熱電偶之間的位置變化都不會(huì)對(duì)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)值造成誤差影響。

2　校驗(yàn)爐精準(zhǔn)性設(shè)計(jì)思路

2.1設(shè)計(jì)思路

根據(jù)上述校對(duì)校驗(yàn)爐存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析可以知道，對(duì)精密熱電偶校驗(yàn)爐設(shè)計(jì)過(guò)程中需要進(jìn)行三個(gè)方面的改進(jìn)工作，具體如下:

A：爐體結(jié)構(gòu)及控溫系統(tǒng)。從精準(zhǔn)性考慮，熱電偶校驗(yàn)爐一般應(yīng)進(jìn)行內(nèi)外二級(jí)爐體結(jié)構(gòu)，且對(duì)控溫系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)改造，二級(jí)爐體結(jié)構(gòu)可以最直接的擴(kuò)大等溫工作區(qū)域，同時(shí)，從溫控系統(tǒng)考慮，可以直接有效地降低檢驗(yàn)元素自身傳熱導(dǎo)熱所形成的溫度誤差。從二級(jí)爐體結(jié)構(gòu)分析，外級(jí)爐體工作溫度與內(nèi)級(jí)的工作溫度無(wú)限接近，必然意味著校驗(yàn)元素自身的傳熱影響已經(jīng)降到無(wú)限最低，從而確保校驗(yàn)爐由更加寬泛的等溫工作區(qū)。

B：熱電偶的安置。從精準(zhǔn)度考慮，要想使得校驗(yàn)爐校驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性的減小，就必須運(yùn)用插孔的方式進(jìn)行對(duì)熱電偶的安置，從而確保每一支被校熱電偶與校驗(yàn)爐之間熱交換結(jié)果的一致性得到有效的提高。

C：補(bǔ)償加熱器的設(shè)置。為了使得校驗(yàn)結(jié)果更加精準(zhǔn)，在實(shí)際的校驗(yàn)操作過(guò)程中，要盡可能降低被校熱電偶的對(duì)外導(dǎo)熱，這就需要補(bǔ)償加熱，最簡(jiǎn)單的操作是將補(bǔ)償加熱器設(shè)置在校驗(yàn)爐爐口的位置。

2.2爐溫控制

爐溫控制是由基于熱電偶配屬的控溫儀來(lái)實(shí)現(xiàn)的。爐體爐管與均溫塊的溫度，來(lái)源于不同的控溫?zé)犭娕?，由此，我們可以設(shè)計(jì)將不同區(qū)管熱電偶標(biāo)示為控溫?zé)犭娕糀及控溫?zé)犭娕糂，利用數(shù)字控溫儀來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，分別為輸出A、B。之后，通過(guò)調(diào)節(jié)可控硅對(duì)工作區(qū)均溫塊及爐管加熱器進(jìn)行控制，對(duì)功率根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。實(shí)踐中，工作區(qū)均溫塊的溫度與爐管的溫度都較低，從而實(shí)現(xiàn)均溫塊對(duì)外熱傳導(dǎo)，從根本上實(shí)現(xiàn)對(duì)校驗(yàn)爐工作取溫度均勻性的提升。

3　結(jié)束語(yǔ)

基于鎧裝熱電偶的校驗(yàn)爐檢測(cè)運(yùn)用是一種廣譜性應(yīng)用科技，但由于長(zhǎng)期以來(lái)的檢測(cè)誤差影響，是其準(zhǔn)確性能不能得到有效提升，客觀上影響了人們對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的信任度。通過(guò)對(duì)上述校驗(yàn)的改進(jìn)設(shè)想，應(yīng)該會(huì)在溫控應(yīng)用以及數(shù)據(jù)取得上提升精確性，是其性能更加符合要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊振華.熱電偶不均勻性分析及實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法研究[D].天津大學(xué),2010.

[2]王浩.管形熱電偶檢定爐均勻溫場(chǎng)的研究Ul[J].中國(guó)計(jì)量,2010.

作者簡(jiǎn)介：井彬（1988-），男，安徽桐城人，碩士研究生，研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造與先進(jìn)測(cè)試技術(shù)。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.151