管式熱電偶檢定爐的溫場(chǎng)改進(jìn)研究

摘 要：傳統(tǒng)的管式電熱偶檢定爐的溫場(chǎng)在不同溫度下不一致且無(wú)法調(diào)節(jié)，在實(shí)際測(cè)試中給測(cè)試結(jié)果帶來(lái)了較大的不確定度。文章通過(guò)改造管式電阻爐的控溫方式，即通過(guò)三段控溫的方法，使得檢定爐的溫場(chǎng)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(cè)量不確定度。

關(guān)鍵詞：熱電偶檢定爐；三段控溫；研究

熱電偶是常用的測(cè)溫原件，由于受到測(cè)量環(huán)境、使用溫度等因素影響，熱電偶長(zhǎng)期使用后測(cè)量準(zhǔn)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(chǎng)中比較，而熱電偶檢定爐就是用來(lái)提供恒溫溫場(chǎng)的。管式檢定爐由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉是最常用的熱電偶檢定爐。

國(guó)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(cè)試溫度1000℃時(shí)，均勻溫場(chǎng)長(zhǎng)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(cè)試溫度1100℃時(shí)，溫度最高點(diǎn)±20mm內(nèi)有溫度變化梯度≤0.4℃/10mm的均勻溫場(chǎng)。

1 存在的問(wèn)題

按照J(rèn)JF1184-2007《熱電偶檢定爐溫度場(chǎng)測(cè)試技術(shù)規(guī)范》中提到的測(cè)試方法，溫場(chǎng)測(cè)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(chǎng)指標(biāo)會(huì)變差。測(cè)試是在指定溫度（1000℃和1100℃）進(jìn)行的，低溫段的溫場(chǎng)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(chǎng)位置有發(fā)生偏移的現(xiàn)象，低溫段相較高溫段需要更長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間。在實(shí)際工作中，可以通過(guò)加恒溫塊的方法可以提高溫場(chǎng)的技術(shù)指標(biāo)，但在實(shí)際檢測(cè)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(wèn)題而無(wú)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(jiǎn)單的用線性系統(tǒng)理論來(lái)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(guò)程中模型的不一致。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(wú)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(chǎng)

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(chǎng)在爐體的中心位置附近，通過(guò)調(diào)節(jié)保溫磚和保溫棉使?fàn)t體溫場(chǎng)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(kāi)這個(gè)溫區(qū)后，越是靠近爐口位置，溫度變化越大。而通過(guò)采用多段控溫的方法，可以極大的提高溫場(chǎng)，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(lái)提高管式爐的溫場(chǎng)。將原有管式爐的電熱絲分為三段，每一段單獨(dú)配有一個(gè)控溫?zé)犭娕迹瑢⑷Э販責(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(cè)溫、控制、調(diào)節(jié)回路?？刂朴脽犭娕紝z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(cè)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(lái)控制可控硅輸出電壓的高低，從而控制檢定爐溫度。通過(guò)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(chǎng)。如圖1所示。

3 溫場(chǎng)測(cè)試及調(diào)試

檢定爐正常工作后，開(kāi)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(guò)編制相關(guān)軟件將控溫表中參數(shù)保存下來(lái)，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(cè)試調(diào)試，按照J(rèn)JF1184-2007《熱電偶檢定爐溫度場(chǎng)測(cè)試技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行溫度場(chǎng)空載測(cè)試，未調(diào)試前檢測(cè)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(lèi)推。

測(cè)試結(jié)果如表1所示，該檢定爐在800℃的溫場(chǎng)顯示該爐子溫場(chǎng)右側(cè)高，左側(cè)低在（-3～3）范圍內(nèi)溫度差為1.2℃。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1.0℃，將左側(cè)控溫偶的修正值減少2.0℃，等待爐子重新穩(wěn)定后，以同樣的方法再次進(jìn)行空載測(cè)試，測(cè)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0.9℃，在（-5～2）范圍內(nèi)的溫度差只有0.5℃，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(chǎng)進(jìn)行調(diào)試，數(shù)據(jù)保存，方便軟件控制。而測(cè)試結(jié)果也驗(yàn)證了三段控溫的可行性，測(cè)試結(jié)果令人滿意。三段控溫使得爐子的溫場(chǎng)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(chǎng)，對(duì)于降低測(cè)量不確定度有著不錯(cuò)的效果。

參考文獻(xiàn)

[1]JJF 1184-2007.熱電偶檢定爐溫度場(chǎng)測(cè)試技術(shù)規(guī)范[S].

[2]JJG351-1996.工作用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程[S].

[3]JJG141-2013.工作用貴金屬熱電偶檢定規(guī)程[S].

[4]王浩，侯素蘭，徐宏光，等.管式熱電偶檢定爐均勻溫場(chǎng)的研究[J].中國(guó)計(jì)量，2010（10）.

[5]馮冬青，李現(xiàn)旗.基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢定爐溫度控制系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014（1）.

[6]文麗松，范敏.B型熱電偶檢定爐及控制系統(tǒng)改造[J].計(jì)測(cè)技術(shù)，2013.

作者簡(jiǎn)介：張雪峰（1988-），男，上海，學(xué)歷：本科。