大型密封式高溫設(shè)備溫場校準(zhǔn)方法的研究

王 喆，崔堯堯，孫 浩

（天津市計量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院，天津300192）

大型密封式高溫設(shè)備通常是指容積在0.15 m3以上[1]、密封式結(jié)構(gòu)、內(nèi)部具有加熱和恒溫功能的熱處理設(shè)備，其中部分設(shè)備具有壓力真空泵，可以制造壓力或真空工作環(huán)境，它廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)、化工制藥、醫(yī)療衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)科研、汽車和軍工等制造研究領(lǐng)域，是一種非常重要的加工設(shè)備，其溫場的準(zhǔn)確性和真空密封性直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量[2]，目前國內(nèi)沒有統(tǒng)一的溫場測試方法，在此，參考相關(guān)規(guī)范[3]，使用爐溫跟蹤儀和無線壓力模塊校準(zhǔn)其工作區(qū)域內(nèi)的溫場均勻性、溫度偏差、溫度波動度和真空、壓力密封性，為工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究提供技術(shù)依據(jù)[4]。

1 被測設(shè)備

在此以軍工熱壓罐為被測設(shè)備，熱壓罐是一套實現(xiàn)溫度、壓力、真空、冷卻等工藝參數(shù)時序化、實時在線控制的系統(tǒng)設(shè)備[5]，是很多行業(yè)重要工藝的加工設(shè)備，熱壓罐結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由罐體、密封裝置、加熱系統(tǒng)、壓力系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)和安全機(jī)構(gòu)組成。

熱壓罐罐體長7 m，高3.5 m；內(nèi)部工作區(qū)域與外殼形狀相似，為長6 m，直徑3 m的橫置圓柱體；恒溫溫度為室溫～400℃，一般工作壓力為0.3 MPa，最高工作壓力為1.5 MPa；工作區(qū)域內(nèi)溫度均勻性為±2℃，控制壓力偏差不超過10 kPa。

圖1 熱壓罐結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of autoclave

2 測量裝置

2.1 爐溫跟蹤儀

測溫裝置由爐溫跟蹤儀、隔熱箱、相變模塊、鎧裝熱電偶和無線傳輸模塊組成，該裝置技術(shù)指標(biāo)見表1[6-8]。

表1 測溫裝置各部件技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical indexes of each component of temperature measuring device

隔熱箱隔熱箱采用耐高溫不銹鋼外殼，內(nèi)部填充厚150 mm的金屬氧化物纖維高溫織物多孔隔熱材料；內(nèi)部凹槽放置金屬相變模塊；箱體由兩部分扣接，擰緊鎖扣，鎧裝熱電偶可以從兩側(cè)縫隙中伸出箱體，相變模塊中的材料具有吸熱功能，在58℃左右從固態(tài)相變到液態(tài)并吸收熱能[9]，溫度保持一定的時間不變，從而盡量延長爐溫跟蹤儀在高溫環(huán)境下的測量時間，隔熱箱和相變模塊實物如圖2所示，爐溫跟蹤儀單體最高使用溫度為80℃[10]，其實物如圖3所示。

此外還有配套的測試軟件，軟件中可以輸入鎧裝熱電偶經(jīng)過校準(zhǔn)所得的溫度修正值，20個通道可以逐個逐溫度點修正。

圖2 隔熱箱和相變模塊Fig.2 Thermal box and phase change module

圖3 爐溫跟蹤儀Fig.3 Furnace temperature tracker

2.2 無線壓力模塊

測量壓力參數(shù)使用TMI 無線壓力模塊，如圖4所示，長時間使用的溫度范圍為0～140℃，測量范圍為3～1500 kPa，允許誤差為±1.2 kPa，可以存儲超過40000個數(shù)據(jù)[11]；其允差的模不超過被測設(shè)備允差的1/5[12]，測量精度滿足要求。在密封的工作環(huán)境記錄數(shù)據(jù)，測試工作完成后去除通過軟件系統(tǒng)讀取。

圖4 無線壓力模塊Fig.4 Wireless pressure module

3 測量方法

3.1 測量位置點

熱壓罐內(nèi)部有3 層隔板，隔板上面有均勻分布的孔，日常使用時用于放置工件，在測量其溫場時可以作為測溫架，根據(jù)熱壓罐內(nèi)部工作區(qū)域的大小、形狀和測溫架布置測溫位置，總體原則是，測溫位置要均勻地分布在熱壓罐工作區(qū)域中，熱電偶的測量端不與罐體或者加熱元件接觸，其中，包括2個較為重要的測量位置：①工作區(qū)域的幾何中心；②熱壓罐內(nèi)控溫偶的測量端處[13-15]。

隔熱箱和無線壓力模塊的放置位置如圖5所示，無線壓力模塊處于幾何中心處，隔熱箱放置在中間層方面鎧裝熱電偶分布即可，以爐口為參照，測量位置分為“前”、“中”、“后”3個面，“前”與“后”的分布相同，每個面的分布位置點和各點間距如圖6所示，圖中，位置點7為控溫偶測量端位置，位置點11為爐體工作區(qū)域的幾何中心點[16-18]。

圖5 測量位置Fig.5 Measurement location

圖6 測量位置點的分布Fig.6 Distribution of measurement positions

3.2 測量程序

在空載的情況下測量熱壓罐的溫場分布，測量溫度在其上限溫度400℃進(jìn)行，由于無線壓力模塊的耐熱上限為140℃，遠(yuǎn)小于測量溫場溫度，所以，要將熱壓罐的自動控制系統(tǒng)關(guān)閉，改為手動操作，先進(jìn)行壓力指標(biāo)測量，再單獨控溫進(jìn)行溫場測量。

根據(jù)經(jīng)驗，熱壓罐從室溫狀態(tài)升溫至400℃達(dá)到熱平衡狀態(tài)需要2 h，從400℃降至室溫需要3 h，內(nèi)部具有空氣對流裝置，因為測溫裝置要放置在高溫環(huán)境內(nèi)測量，為防止?fàn)t溫跟蹤儀被高溫?fù)p壞，應(yīng)嚴(yán)格控制測量時間，根據(jù)文獻(xiàn)[10]，由各部件組成的測溫裝置，其正常工作的上限溫度為1100℃，時間不超過30 min，測量裝置的耐高溫時間由以下5個條件經(jīng)過加權(quán)計算得出：①最高溫度；②持續(xù)時間；③平均溫度；④工作環(huán)境（例如滲碳?xì)夥栈蚩諝馐欠耢o止等因素）；⑤設(shè)備搬運(yùn)，相變模塊在最高溫度為400℃，平均溫度約為240℃，低速對流空氣環(huán)境中，正常的工作時間不超過6 h，因此測溫時間要嚴(yán)格控制在1 h 以內(nèi)。

完成壓力測量后，取出無線壓力模塊，在罐內(nèi)放置好測量設(shè)備，將鎧裝熱電偶按照計劃進(jìn)行布線，升溫和恒溫2 h 后，開始在線實時采集數(shù)據(jù)，采集間隔設(shè)置為3 min/次。采集結(jié)束后降溫，待符合要求后安全取出測量裝置。

4 測量結(jié)果

采集1 h的數(shù)據(jù)剔除異常值[19]后共有20 組，每組讀數(shù)平均有20個，設(shè)定溫度為400.0℃，顯示溫度為400.0℃；求取平均值后的熱壓罐溫場分布見表2。

表2 熱壓罐溫場分布結(jié)果Tab.2 Temperature field distribution results of autoclave

爐溫均勻度Δθ+，Δθ-的計算公式為

式中：tp，max為各測溫位置點實際溫度的最大值，℃；tp，min為各測溫位置點實際溫度的最小值，℃；tc為幾何中心點的實際溫度，℃。

爐溫穩(wěn)定度δ+，δ-的計算公式為

式中：tc′為幾何中心點讀數(shù)的算數(shù)平均值，℃；ta為幾何中心點測得的大于tc′的最大值，℃；ti為幾何中心點測得的小于tc′的最小值，℃。

爐溫穩(wěn)定度Δt+，Δt-的計算公式為

式中：tb為標(biāo)稱溫度，℃。

由表2 數(shù)據(jù)，按照以上各式進(jìn)行計算，此外，爐內(nèi)最大溫差為每個測量周期內(nèi)各測溫位置點測得的最大值減去最小值；實測壓力示值用平均值表示；罐體密封性截取其中5 min的壓力波動即可[20]。得到的熱壓罐溫場性能結(jié)果見表3。

5 結(jié)語

校準(zhǔn)結(jié)果表明，該型熱壓罐的溫場分布，上層板和下層半的溫度相較于中層板更高，其中上層板溫度最高；前、中、后3個測試面，靠近罐底的“前”面溫度較高，靠近罐門的溫度較低，爐溫均勻度和爐溫偏差滿足要求，爐溫穩(wěn)定度較好，密封性和壓力示值也在合理的范圍內(nèi)。

表3 熱壓罐溫場性能結(jié)果Tab.3 Temperature field performance results of autoclave