基于熱電偶實(shí)現(xiàn)精確校驗(yàn)電阻爐設(shè)計(jì)的思考

張文云

（晉中市綜合檢驗(yàn)檢測(cè)中心 山西晉中 030600）

1 前言

電阻爐初次使用或使用時(shí)間較長(zhǎng)之后，容易出現(xiàn)溫度誤差，這種情況下，需要對(duì)電阻爐進(jìn)行溫度校準(zhǔn)，而傳統(tǒng)的用于電阻爐校準(zhǔn)的測(cè)溫支架，部分只能固定單一測(cè)溫元件，不僅安裝、拆卸不方便，且在電阻爐內(nèi)的分布點(diǎn)不夠，因此其測(cè)試的準(zhǔn)確性不夠精確；部分雖然能夠?qū)Χ帱c(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，但是測(cè)溫架的大小無(wú)法調(diào)節(jié)，因此測(cè)溫元件對(duì)各點(diǎn)的檢測(cè)位置是固定的，僅適用于同一空間大小的電阻爐，靈活性較差。

因此，如何提供一種拆卸方便且能夠?qū)﹄娮锠t內(nèi)部進(jìn)行均勻檢測(cè)，還能適應(yīng)不同空間大小的電阻爐的測(cè)溫裝置，是該領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問(wèn)題。基于此，本文針對(duì)熱電偶實(shí)現(xiàn)精確校驗(yàn)電阻爐設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

熱電偶是較為常見(jiàn)的測(cè)溫元件。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度是需要測(cè)量和控制的重要參數(shù)之一。在溫度測(cè)量方面，熱電偶在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用極為廣泛，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、測(cè)量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)程傳輸?shù)戎T多優(yōu)點(diǎn)。熱電偶外形多樣，其需求也呈現(xiàn)多樣化，但大部分的機(jī)構(gòu)是類似的。

熱電偶的配套設(shè)備有電子調(diào)節(jié)器和記錄儀器等，組成的構(gòu)件有熱點(diǎn)極、絕緣套保護(hù)管和接線盒等。熱電偶獲得溫度信息后，會(huì)利用二次儀表進(jìn)行轉(zhuǎn)化，得到被測(cè)介質(zhì)的實(shí)際溫度?？梢哉f(shuō)，熱電偶的性能較為穩(wěn)定，有著廣泛的使用范圍，且在－40℃~1600℃的條件下均可實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)溫，裝置便捷，使用壽命周期長(zhǎng)[1]。熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)主要由4個(gè)部分組成：數(shù)據(jù)采集模塊、轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)控制及其外圍、液晶顯示模塊，詳見(jiàn)圖1。此外，由于熱電偶是一種無(wú)源傳感器，測(cè)量時(shí)不需外加電源，使用十分方便，因此常被用作測(cè)量爐子、管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。

2 基于熱電偶實(shí)現(xiàn)電阻爐精確校驗(yàn)

2.1 熱電偶校驗(yàn)原理

熱電偶經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用，會(huì)出現(xiàn)測(cè)量誤差。其原因是測(cè)量段在長(zhǎng)時(shí)間的高溫作業(yè)下，會(huì)出現(xiàn)氧化腐蝕，熱點(diǎn)性能會(huì)隨之發(fā)生改變，基于這一問(wèn)題，為保證熱電偶的精準(zhǔn)性，需要對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)。

本文研究的電阻爐測(cè)溫裝置，其組裝、拆卸方便，便于收納，且能夠?qū)﹄娮锠t內(nèi)部的8個(gè)角和中心部位進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)，還能夠適用于不同空間大小的電阻爐，不僅檢測(cè)較為靈活，熱電偶的安裝和拆卸也較為簡(jiǎn)單，見(jiàn)圖2。

電阻爐安裝時(shí)，把熱點(diǎn)偶插進(jìn)電阻爐的內(nèi)部，中間的縫隙一定要用石棉繩填滿，根據(jù)具體的電阻爐型號(hào)和控制器型號(hào)，連接線圖、電源線、電爐線和熱電偶線，注意不要把正負(fù)極接反，在電源引入處另接上電源開關(guān)以便控制電源。為保障操作者的安全，電阻爐與控制器必須裝有可靠的接地。

2.2 電偶校驗(yàn)電阻爐的特點(diǎn)

溫度測(cè)量和參數(shù)輸入等是電阻爐控制系統(tǒng)必備的性能，且具有較強(qiáng)的控制作用，通用性較好[2]。電阻爐的系統(tǒng)硬件包括單片機(jī)、溫度檢測(cè)與處理電路、鍵盤與顯示接口電路、聲光報(bào)警電路以及計(jì)時(shí)電路等，詳見(jiàn)圖3。

通常電阻爐是間接加熱，有專門的電阻體，又稱為電熱體，來(lái)實(shí)現(xiàn)電熱的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而輸入熱能。電阻爐的爐殼是由鋼板制作而成，在加熱物料的過(guò)程中，電熱功率會(huì)較為集中[3]，在很短的時(shí)間內(nèi)就可以加熱物料，部分電阻爐的溫度甚至可以高于2 500℃。

2.3 基于熱電偶實(shí)現(xiàn)電阻爐精確校驗(yàn)設(shè)計(jì)

使用熱電偶對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)，具有較為直觀的測(cè)量性能，在這樣的情況下，可以允許被校熱電偶和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶形式的多樣化?？梢詫⑵渲苯臃胖糜陔娮锠t內(nèi)部，通過(guò)頂部測(cè)溫架、中部測(cè)溫架和底部測(cè)溫架分別對(duì)電阻爐爐膛內(nèi)部的8個(gè)角和中心部位進(jìn)行溫度采集。結(jié)合多點(diǎn)溫度檢測(cè)，能夠?qū)﹄娮锠t的溫度進(jìn)行準(zhǔn)確校準(zhǔn)；其伸縮桿的設(shè)計(jì)，不僅能夠?qū)ν浑娮锠t內(nèi)部的不同位置進(jìn)行溫度檢測(cè)，還能夠通過(guò)伸縮以適應(yīng)不同空間大小的電阻爐，詳見(jiàn)圖4。

對(duì)熱電偶進(jìn)行檢定的過(guò)程中，必須嚴(yán)格按照國(guó)際溫標(biāo)ITS-90的規(guī)定，各類熱電偶要和被檢熱電偶必須置于同一溫度條件下，若檢定爐內(nèi)出現(xiàn)較大變化，則采集的信息是不精確的，需要使用溫度控制器，讓檢定爐的溫度能夠在較短的時(shí)間內(nèi)滿足被檢溫度點(diǎn)，讓溫度點(diǎn)保持穩(wěn)定[4]。

結(jié)合熱電偶中間溫度定律，為提高系統(tǒng)的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，需要簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波、非線性和冷端補(bǔ)償?shù)裙δ?，進(jìn)行冷端補(bǔ)償和非線性矯正。具體電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5。

2.4 注意事項(xiàng)

通常情況下，電阻爐在使用一段時(shí)間后，加熱體會(huì)出現(xiàn)下墜、膨脹或變軟等問(wèn)題，為能夠在高溫條件下，保證爐絲的輕度，避免出現(xiàn)上述問(wèn)題，需要對(duì)爐絲的機(jī)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，比較常見(jiàn)的有螺旋形電阻絲。在加熱體的安裝過(guò)程中，要與爐襯靠緊，同時(shí)要留出一定的膨脹空間。

3 結(jié)論

基于熱電偶精準(zhǔn)校驗(yàn)電阻爐的設(shè)計(jì)中得知，由于熱電偶熱節(jié)點(diǎn)的熱容量是有限的，因此會(huì)出現(xiàn)校驗(yàn)誤差，一般情況下，通過(guò)介質(zhì)吸收到一定的熱量，熱節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)溫度變化，在調(diào)整的過(guò)程中，被檢測(cè)介質(zhì)的溫度會(huì)有波動(dòng)，帶有一定的滯后性，所以測(cè)出的問(wèn)題與實(shí)際溫度有偏差，這種誤差是動(dòng)態(tài)的。在高溫的條件下，也會(huì)產(chǎn)生讓線路一定的熱量消耗，需要進(jìn)行補(bǔ)償處理[5]。

電阻爐溫度的檢測(cè)和控制直接與能耗、生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、安全生產(chǎn)等重大技術(shù)指標(biāo)相關(guān)聯(lián)，為了能快速，準(zhǔn)確檢測(cè)與控制電阻爐的溫度，在今后電阻爐校驗(yàn)中，我們要進(jìn)一步做好傳感器信號(hào)的處理，從而使得熱電偶在電阻爐的校驗(yàn)中發(fā)揮更好的作用。