箱式電阻爐校準(zhǔn)問題研究及解決方法

高麗

摘 要：本文對小型箱式電阻爐校準(zhǔn)過程中遇到的一些問題提供了解決方法，并對現(xiàn)行箱式電阻爐校準(zhǔn)規(guī)范提出了修改意見。

關(guān)鍵詞：箱式電阻爐；爐溫均勻度；爐溫偏差；計量特性；校準(zhǔn)

0 引言

箱式電阻爐是以電為能源，在某一規(guī)定時間內(nèi)，電流通過加熱元件產(chǎn)生熱量，其傳熱方式為輻射、傳導(dǎo)、對流等，是使?fàn)t料間接得到加熱的設(shè)備。箱式電阻爐具有體積小、升溫快、熱損小、均勻性好、維修方便、使用安全等優(yōu)點(diǎn)。目前，廣泛應(yīng)用于學(xué)校、科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)等機(jī)構(gòu)的化學(xué)分析、物理測定、金屬件熱處理、產(chǎn)品退火、高溫滅菌等方面。常見的有小型箱式電阻爐、程控爐、臺車箱式電阻爐、工業(yè)退火爐等。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品日趨更新，社會對質(zhì)量品質(zhì)的要求在不斷提升，因此企業(yè)對生產(chǎn)的源頭把控也日益重視。在很多生產(chǎn)領(lǐng)域會接觸到熱處理的生產(chǎn)工藝，其中最常見的熱處理設(shè)備就是箱式電阻爐。為了讓設(shè)備能夠持續(xù)有效的運(yùn)行且保持良好的性能，箱式電阻爐的計量工作就顯得尤為重要，計量過程中遇到的一些問題也有待注意。

1 箱式電阻爐測量的技術(shù)要求

（1）測量依據(jù)：JJF 1376-2012《箱式電阻爐校準(zhǔn)規(guī)范》。

（2）測量方法：比較法。依據(jù)箱式爐的校準(zhǔn)規(guī)范7.3.3要求，容積不大于0.15m3箱式爐布置5支傳感器（熱電偶），分別位于測溫區(qū)的中心點(diǎn)（作為監(jiān)控點(diǎn)）和前下左、前上右、及后上左、后下右四個端角；容積大于0.15m3箱式爐布置9支傳感器，8支分別位于測溫區(qū)的八個端角，1支（作為監(jiān)控點(diǎn)）位于距控溫?zé)犭娕紲y量端延伸方向不超過150mm處。

（3）標(biāo)準(zhǔn)器及主要配套設(shè)備：不低于工作用I級的廉金屬熱電偶，或不低于工作用Ⅱ級的貴金屬熱電偶；不低于0.02級的測溫儀表；寄生電勢不大于1μV的轉(zhuǎn)換開關(guān)。

2 箱式電阻爐校準(zhǔn)中的問題

JJF 1376-2012《箱式電阻爐校準(zhǔn)規(guī)范》已實(shí)施超過3年，在實(shí)際測量中，主要遇到如下問題。

2.1 傳感器布置的可操作性

對爐溫均勻性本就偏大的大型電阻爐要求布置9支傳感器是科學(xué)合理的，大型電阻爐的爐門本就兼有放置試樣的裝料架/車的功能，而且一般為多段控溫模式，可以通過爐身的控溫?zé)犭娕疾蹇缀蜖t門間隙布置測量用傳感器。而小型箱式電阻爐大部分為一段控溫模式，只使用一支控溫?zé)犭娕?，且插孔較小，一般不超過1cm，部分箱式爐的爐門留有觀察窗，即直徑1cm左右以可旋轉(zhuǎn)金屬片遮擋的小孔?，F(xiàn)在使用越來越多的一體式陶瓷纖維馬弗爐，控溫?zé)犭娕寂c插孔緊密貼合且無觀察窗。把測溫架置于箱式電阻爐內(nèi)，爐底的控溫?zé)犭娕疾蹇變H夠布置1～2支熱電偶，不論是通過爐身的觀察窗，還是爐門間隙布置熱電偶，關(guān)閉爐門時都會拉動測量端使熱電偶位置發(fā)生變化，熱電偶從電阻爐的爐門的縫隙進(jìn)入測溫區(qū)，會導(dǎo)致爐門封閉不嚴(yán)，這些因素都會影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性；關(guān)閉爐門后會使熱電偶彎曲，使熱電偶容易損壞，增加測量成本。所以，布置5支熱電偶進(jìn)行測量的方法在目前的情況下可操作性不足。

2.2 測溫架的適用性

規(guī)范7.3.3要求“設(shè)計測溫架”。由于很多箱式電阻爐的電加熱絲都裸露在外，在加熱過程中，不能與所使用的熱電偶相接觸，因?yàn)闊犭娕纪獠康慕饘賹訒?dǎo)電，輕則損壞標(biāo)準(zhǔn)器，重則箱式電阻爐發(fā)生故障或人員觸電，導(dǎo)致安全事故。在實(shí)際工作中，測量用的廉金屬熱電偶大部分材質(zhì)較硬，無法隨意彎曲，使其與電阻爐的電加熱絲接觸的可能性加大；而貴金屬熱電偶為了避免被污染，必須使用瓷管而不能使用雙孔絕緣瓷珠使偶絲裸露在外。這就使得測量用傳感器測量端無法固定于測溫架并將參考端引出爐外。

2.3 校準(zhǔn)步驟的低效性

規(guī)范7.3.4要求“校準(zhǔn)通常在空載狀態(tài)下進(jìn)行。熱電偶參考端引出爐外，依標(biāo)記序號分別通過轉(zhuǎn)換開關(guān)與測量儀表連接。關(guān)閉爐門，通電升溫，將箱式爐的控溫儀表按需要設(shè)定溫度值。當(dāng)爐溫達(dá)到校準(zhǔn)溫度，并處于熱穩(wěn)定狀態(tài)后開始讀數(shù)。在60min內(nèi)，每隔3min記錄各個測溫點(diǎn)的溫度1次，至少測量20次。”大型爐的校準(zhǔn)需要工作人員進(jìn)入爐體內(nèi)進(jìn)行傳感器的布置，布置好傳感器之后再通電升溫的要求是科學(xué)合理的。而對小型爐而言，實(shí)際工作中經(jīng)常遇到的情況是，實(shí)驗(yàn)室用箱式爐經(jīng)常是不關(guān)機(jī)的，尤其是在煤礦冶金行業(yè)的化驗(yàn)室，冷卻后再重新升溫，直接影響用戶的工作，故該條款的要求不太合理。以小型箱式爐為例，一般從室溫升溫到800℃需要1.5～2小時，從爐溫升到設(shè)定值到達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)，一般需要0.5～1小時，再加上讀數(shù)所需的1小時，按最短時間計算，校準(zhǔn)一臺箱式爐需要3小時。如果說可以通過多帶熱電偶去工作現(xiàn)場的方式解決傳感器使用率低的問題，對電測設(shè)備而言，這種辦法是不具備可行性的。

2.4 爐溫偏差計算和測量不確定度評定的合理性

規(guī)范3.6“爐溫偏差”的定義為：箱式爐達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)時，測溫區(qū)內(nèi)各個測溫點(diǎn)在規(guī)定時間內(nèi)，測得的最高、最低實(shí)際溫度分別與標(biāo)稱溫度的上、下偏差。規(guī)范3.2“標(biāo)稱溫度”的定義為：按試驗(yàn)方法要求所規(guī)定的溫度值或按需要預(yù)先確定的溫度值。依據(jù)這兩條定義的要求，對箱式電阻爐的校準(zhǔn)，不記錄箱式電阻爐測溫儀表的示值；計算爐溫偏差時，不是最高實(shí)際溫度與箱式電阻爐測溫儀表的示值平均值之差為爐溫偏差Δt+，最低實(shí)際溫度與箱式電阻爐測溫儀表的示值平均值之差為爐溫偏差Δt-，而是最高實(shí)際溫度與標(biāo)稱溫度之差為爐溫偏差Δt+，最低實(shí)際溫度與標(biāo)稱溫度之差為爐溫偏差Δt-。實(shí)際工作或校準(zhǔn)時，標(biāo)稱溫度一般是給定值或設(shè)定值。

JJF 1001-2011《通用計量術(shù)語及定義》中，“校準(zhǔn)”的定義為：在規(guī)定條件下的一組操作，其第一步是確定由測量標(biāo)準(zhǔn)提供的量值與相應(yīng)示值之間的關(guān)系；第二步則是用此信息確定由示值獲得測量結(jié)果的關(guān)系，這里測量標(biāo)準(zhǔn)提供的量值與相應(yīng)示值都具有測量不確定度。標(biāo)稱溫度即不是定義中的示值，也不是測量標(biāo)準(zhǔn)提供的量值。由此可見，規(guī)范中對爐溫偏差的定義是欠妥的，與“校準(zhǔn)”的定義是相悖的。

由JJF 1001-2011《通用計量術(shù)語及定義》可知，“測量結(jié)果是與其他有用的相關(guān)信息一起賦予被測量的一組值”?！皽y量結(jié)果通常表示為單個測得的量值和一個測量不確定度”。JJF 1376-2012《箱式電阻爐校準(zhǔn)規(guī)范》要求對箱式電阻爐進(jìn)行爐溫均勻度、爐溫穩(wěn)定度、爐溫偏差及爐內(nèi)最大溫差4項(xiàng)計量性能的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果中也需要得出4項(xiàng)7組數(shù)據(jù)。根據(jù)JJF 1001-2011《通用計量術(shù)語及定義》，應(yīng)對校準(zhǔn)結(jié)果的7組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行不確定度評定，尤其是最為重要的爐溫偏差。而JJF 1376-2012《箱式電阻爐校準(zhǔn)規(guī)范》中，附錄中的記錄格式、校準(zhǔn)結(jié)果格式、計算示例、測量不確定度評定實(shí)例中均只有對爐溫均勻度的要求。

實(shí)例中以爐溫均勻度Δθ+和Δθ-為例，依據(jù)數(shù)學(xué)模型Δθ+（或Δθ-）=tpmax（或tpmin）-tp，測量結(jié)果的不確定度具有4個標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量：輸入量tpmax（或tpmin）重復(fù)測量引入的不確定度；溫度校準(zhǔn)裝置修正值（傳感器、電測設(shè)備、轉(zhuǎn)換開關(guān)）引入的不確定度；輸入量tp重復(fù)測量引入的不確定度；溫度校準(zhǔn)裝置修正值（傳感器、電測設(shè)備、轉(zhuǎn)換開關(guān)）引入的不確定度。可見4個標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量中有3個完全相同，唯一不同的是輸入量tpmax（或tpmin）重復(fù)測量引入的不確定度。重復(fù)測量引入的不確定度具有隨機(jī)性，實(shí)際工作中，可取Δθ+和Δθ-不確定度較大者，作為爐溫均勻度的測量結(jié)果不確定度。爐溫穩(wěn)定度和爐溫偏差數(shù)學(xué)模型類似，測量結(jié)果不確定度也可同理視之。

3 箱式電阻爐校準(zhǔn)問題的解決辦法

3.1 測溫輔助模塊

針對傳感器布置的可操作性和測溫架的適用性，可通過測溫輔助模塊解決。依據(jù)常見箱式爐（小型爐）的爐門尺寸，利用耐火材料加工一組與被校電阻爐可配套使用的測溫輔助模塊（原理同對熱電偶檢定爐進(jìn)行徑向溫場測試時使用的模塊），在中心及四個端角位置開小孔，并在外側(cè)安裝方便使用的提手；若標(biāo)準(zhǔn)器選用貴金屬熱電偶，則在開孔處加裝剛玉管，長度和位置依規(guī)范中對測溫區(qū)的要求決定。校準(zhǔn)時，以該輔助模塊代替爐門，依據(jù)規(guī)范要求插入熱電偶。爐溫較高時也可進(jìn)行該操作，同時提高了工作效率。只需注意高溫時不可快速插拔熱電偶，操作時緩慢插入或拔出，以免縮短其使用壽命。另外，有一種進(jìn)口的軟線型廉金屬熱電偶也可解決該問題，但目前國內(nèi)暫時無法生產(chǎn)，不僅價格高昂，而且由于國外的技術(shù)壁壘使其進(jìn)入國內(nèi)難度較大。此外，修訂生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，要求電阻爐必須預(yù)留測溫孔是解決該問題的最好辦法。

3.2 對規(guī)范修訂的幾點(diǎn)建議

①建議不再要求布置好傳感器后再通電升溫；

②當(dāng)爐溫達(dá)到校準(zhǔn)溫度，并處于熱穩(wěn)定狀態(tài)后，分別用30min內(nèi)讀數(shù)不少于15次，和60min內(nèi)不少于20次兩種方式對同一臺電阻爐進(jìn)行測量，在多臺電阻爐上重復(fù)該實(shí)驗(yàn)，兩種方式測量結(jié)果的不確定度化整后是相同的。故可修訂該條款為“在30min內(nèi)讀數(shù)不少于15次”，以提高工作效率。

③修訂“爐溫偏差”的定義為：箱式爐達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)時，測溫區(qū)內(nèi)各個測溫點(diǎn)在規(guī)定時間內(nèi)，測得的最高、最低實(shí)際溫度分別與示值的上、下偏差。并在每次讀數(shù)時記錄電阻爐測溫儀表的示值。計算爐溫偏差時，最高實(shí)際溫度與箱式電阻爐測溫儀表的示值平均值之差為爐溫偏差Δt+，最低實(shí)際溫度與箱式電阻爐測溫儀表的示值平均值之差為爐溫偏差Δt-。

④對爐溫均勻度、爐溫穩(wěn)定度、爐溫偏差及爐內(nèi)最大溫差分別進(jìn)行不確定度評定，除爐內(nèi)最大溫差外，其余三項(xiàng)取一對結(jié)果中不確定度較大者，作為測量結(jié)果不確定度。

4 結(jié)束語

利用測溫輔助模塊，不需要測溫架，簡化了工作，提高了效率和安全性，還可提高熱電偶的使用壽命和校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度。在生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的制定過程中，需要將兩者結(jié)合起來，生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的制定需要考慮產(chǎn)品性能測試的可操作性。檢定規(guī)程、校準(zhǔn)規(guī)范是維護(hù)量值統(tǒng)一的工作依據(jù)，需要起草者和規(guī)程規(guī)范的執(zhí)行者共同努力，使國家計量檢定規(guī)程和校準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)一步完善。

參考文獻(xiàn)

[1] JJF1376-2012 箱式電阻爐校準(zhǔn)規(guī)范.

[2] JJF 1001-2011 通用計量術(shù)語及定義.

[3] GB/T 10066.4 電熱設(shè)備的試驗(yàn)方法 第4部分：間接電阻爐.