干體爐校準(zhǔn)方法及不確定度評(píng)定

【摘要】干體爐的工作溫度范圍一般在-80～1300℃。干體爐具有無(wú)油煙、體積小、方便攜帶、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，且升溫至預(yù)設(shè)溫度比恒溫槽快，作為標(biāo)準(zhǔn)熱源被廣泛應(yīng)用于溫度傳感器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。本文簡(jiǎn)要介紹了干體爐的原理，著重研究了其校準(zhǔn)方法，并對(duì)其溫度偏差進(jìn)行了不確定度評(píng)定。

【關(guān)鍵詞】干體爐；不確定度分析；溫度偏差

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.01.074

Calibration Method and Uncertainty Evaluation of Dry Body Furnace

LI Pengcheng

（Liaoning Institute of Measurement， Shenyang 110004， China）

Abstract： The working temperature range of a dry furnace is generally between -80℃and 1300℃. Dry body furnaces have the advantages of no oil fumes， small size， convenient portability， and low energy consumption. They also heat up to a preset temperature faster than a constant temperature bath， making them widely used as standard heat sources for on-site calibration of temperature sensors. This article briefly introduces the principle of dry body furnaces， focuses on studying their calibration methods， and evaluates the uncertainty of their temperature deviation.

Keywords： dry body furnace； uncertainty analysis； temperature deviation

對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度變送器、工業(yè)鉑熱電阻、熱電偶等溫度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)需要用到相適應(yīng)的恒溫源。按溫度傳遞介質(zhì)的不同，恒溫源可分為干體爐和恒溫槽。干體爐相較于恒溫槽具有體積小便于攜帶、升降溫速度快、無(wú)油煙能耗低等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛用于校準(zhǔn)石油、化工、制藥、電力、冶金等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中無(wú)法拆卸的傳感器。

1.1干體爐工作原理

干體爐的主要組成部分有固體均溫塊、控溫裝置、監(jiān)測(cè)均溫塊溫度的溫度傳感器。固體均溫塊的材質(zhì)一般選用導(dǎo)熱性能好價(jià)格低廉的金屬鋁來(lái)為被校準(zhǔn)溫度計(jì)提供穩(wěn)定又均勻的測(cè)量溫場(chǎng)。為了使干體爐達(dá)到更好的溫度穩(wěn)定性，生產(chǎn)廠家還會(huì)選取耐高溫的材料將均溫塊的四周密封?？販匮b置對(duì)均溫塊的溫度進(jìn)行把控，配合顯示面板顯示均溫塊的實(shí)時(shí)溫度。溫度傳感器監(jiān)測(cè)均溫塊的實(shí)際溫度，并將溫度數(shù)據(jù)傳遞給控溫裝置。

干體爐內(nèi)置的均溫塊上設(shè)有插孔，均溫塊具有良好的均溫作用可為被校準(zhǔn)的溫度計(jì)提供40 mm以上的均勻溫場(chǎng)，被校準(zhǔn)的溫度計(jì)插入孔內(nèi)便能獲得干體爐設(shè)定的溫度。在利用干體爐作為熱源校準(zhǔn)溫度計(jì)時(shí)，校準(zhǔn)結(jié)果會(huì)受到諸多因素的影響，如干體爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（控溫傳感器的位置）、溫度計(jì)插入孔內(nèi)接觸間隙、校準(zhǔn)環(huán)境等。

1.2國(guó)內(nèi)外干體爐生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)狀

目前生產(chǎn)干體爐的國(guó)外制造廠家有FLUKE、AMETEK、ISOTECH等。這些歐美國(guó)家的公司早在19世紀(jì)40年代就開(kāi)始深耕溫度校準(zhǔn)儀表研發(fā)[1]，擁有深厚的理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，所以國(guó)外的干體爐控溫性能較為穩(wěn)定。相比之下，國(guó)內(nèi)對(duì)于相關(guān)技術(shù)的研發(fā)起步較晚，但也涌現(xiàn)出一些優(yōu)秀的代表企業(yè)，如北京康斯特儀表科技股份有限公司、泰安磐然科技測(cè)控有限公司等。

2.1校準(zhǔn)時(shí)的注意事項(xiàng)

1）校準(zhǔn)前可對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，在校準(zhǔn)過(guò)程中不可調(diào)整參數(shù)；2）若單獨(dú)對(duì)干體爐的溫度傳感器和顯示儀表進(jìn)行校準(zhǔn)，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行；3）在進(jìn)行干體爐溫度偏差、溫度波動(dòng)度、孔間溫差校準(zhǔn)項(xiàng)目時(shí)，溫度計(jì)應(yīng)觸及干體爐測(cè)溫孔的最底部；4）若使用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶，且采用冰水化合物作為冰點(diǎn)補(bǔ)償，注意操作時(shí)冰水飛濺到干體爐的加熱孔中造成安全隱患；5）為了避免干體爐均溫塊插孔裸露空氣中受到環(huán)境氣流影響，可使用耐高溫玻璃纖維隔絕起到保溫作用。

2.2溫度偏差的校準(zhǔn)

應(yīng)采用參考標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)對(duì)干體爐的溫度偏差進(jìn)行校準(zhǔn)。選取校準(zhǔn)溫度點(diǎn)可依據(jù)客戶的使用要求來(lái)進(jìn)行選擇，校準(zhǔn)溫度點(diǎn)的數(shù)量一般為3個(gè)以上，校準(zhǔn)溫度點(diǎn)應(yīng)盡量選擇干體爐生產(chǎn)廠家銘牌標(biāo)定的溫度使用范圍上下限附近，其他校準(zhǔn)溫度點(diǎn)在溫度使用范圍內(nèi)均勻分布。

測(cè)溫孔一般選擇具有代表性的中心孔，若客戶進(jìn)行指定可更改，將參考標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)插入選好的測(cè)溫孔中，保證參考標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的末端觸及測(cè)溫孔底部，操作干體爐面板設(shè)置成校準(zhǔn)點(diǎn)溫度，待溫度達(dá)到并穩(wěn)定，記錄干體爐面板溫度顯示值和參考標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)實(shí)際測(cè)量值，記錄的時(shí)長(zhǎng)應(yīng)大于10 min，每間隔一分鐘記錄一組數(shù)據(jù)。取干體爐面板溫度顯示值與參考標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)實(shí)際測(cè)量值的差值的平均值作為一次測(cè)量結(jié)果。每個(gè)校準(zhǔn)溫度點(diǎn)需進(jìn)行2次測(cè)量，分別在上升到設(shè)定溫度時(shí)和下降到設(shè)定溫度時(shí)進(jìn)行[2]。

2.3溫度波動(dòng)度的校準(zhǔn)

將參考標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)插入均溫塊的測(cè)溫孔底部，設(shè)定溫度后待干體爐達(dá)到熱平衡狀態(tài)，在30 min內(nèi)每間隔2 min記錄一次參考標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)實(shí)際測(cè)量值，在所有記錄的測(cè)量結(jié)果中選出最大值和最小值做差。干體爐的溫度波動(dòng)度即為冠以“±”的差值的一半。

2.4孔間溫差的校準(zhǔn)

對(duì)干體爐進(jìn)行孔間溫差的校準(zhǔn)，為了盡量避免溫度隨時(shí)間會(huì)有漂移的影響，可增設(shè)一支參考標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)加入校準(zhǔn)過(guò)程中來(lái)。測(cè)溫孔的選擇應(yīng)為均溫塊徑向相對(duì)位置最遠(yuǎn)的兩個(gè)測(cè)溫孔。

3.2各輸入量的估計(jì)值及其標(biāo)準(zhǔn)不確定度對(duì)應(yīng)的不確定度分量

在校準(zhǔn)過(guò)程中，使用的參考標(biāo)準(zhǔn)熱電偶外套管的外徑為d≥6mm，所以由溫度計(jì)導(dǎo)熱帶來(lái)的熱影響不考慮。

3.2.1參考標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)實(shí)際測(cè)量值tS

通過(guò)查參考標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的證書(shū)，得到測(cè)量的溫度值為400.10℃，測(cè)量的擴(kuò)展不確定度為：U = 0.6℃，k = 2。

3.2.2電測(cè)設(shè)備的影響δtS

溫度控制器顯示表的分辨力為0.1℃，干體爐均溫塊的溫度設(shè)定給出的溫度分辨力引起的誤差為±0.05℃，均勻分布。

3.2.5孔間溫度差δtR

校準(zhǔn)器有6個(gè)孔。在400℃時(shí)，測(cè)溫孔間的溫度差最大為0.14℃，得到孔間的溫度分布應(yīng)該在±0.07℃范圍，均勻分布。

3.2.6遲滯效應(yīng)δtH

在溫度上升和下降測(cè)量循環(huán)中，由于遲滯效應(yīng)帶來(lái)溫度示偏差為±0.05℃，均勻分布。

3.2.7溫度軸向均勻性δtB

干體爐孔軸向溫度不均勻引起的不同插入深度帶來(lái)的讀數(shù)差為±0.25℃，均勻分布。

3.2.8均溫塊負(fù)載δtL

中心孔的最大負(fù)載的影響為0.05℃，均勻分布。

3.2.9溫度的不穩(wěn)定性δtV

在一個(gè)測(cè)量循環(huán)約為30 min內(nèi)同溫度不穩(wěn)定引起的溫度變化在±0.03℃內(nèi)，均勻分布。

具體不確定度匯總情況見(jiàn)表1。

本文介紹了干體爐的工作原理及國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)狀，詳細(xì)總結(jié)了干體爐溫度參數(shù)的校準(zhǔn)方法，并給出了溫度偏差的不確定度評(píng)定實(shí)例。本文為現(xiàn)場(chǎng)溫度傳感器計(jì)量水平的提高提供有力的技術(shù)支撐，滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫領(lǐng)域量值的溯源及不斷提升精度水平的需求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李現(xiàn)旗.便攜式干體爐非線性控制系統(tǒng)研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2013.

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[3]陳素.對(duì)干體式溫度校準(zhǔn)器軸向溫場(chǎng)均勻性的分析研究[J].計(jì)量技術(shù)，2020（1）：32-34.

【作者簡(jiǎn)介】

李鵬程，男，1996年出生，助理工程師，碩士，研究方向?yàn)闇囟扔?jì)量。

（編輯：李加鵬）