連續(xù)熱電偶檢定爐的設(shè)計(jì)與研制

王 喆，余松林，王曉丹

（天津市計(jì)量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院，天津 300192）

熱電偶是由兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）基于塞貝克效應(yīng)制成的溫度計(jì)[1]，兩種材料的一端焊接在一起作為測量端，另一端作為參考端。當(dāng)熱電偶的測量端和參考端存在溫差時(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢。連續(xù)熱電偶也是基于塞貝克效應(yīng)制成，是一種新型的溫度傳感器。它的特點(diǎn)是無固定測量端[2]，通過鎧裝工藝將熱敏材料填充在金屬套管內(nèi)，與鎳鉻-鎳硅型（分度號K）熱電偶絲材結(jié)合在一起。在一定的溫度范圍內(nèi)，可以連續(xù)產(chǎn)生與其所接觸范圍內(nèi)最高溫度相對應(yīng)的熱電勢值，通過函數(shù)關(guān)系可以計(jì)算得到其沿線的最高溫度值。

由于熱電偶是一種材料型溫度傳感器，其測量準(zhǔn)確度取決于絲材的成分配比和均勻性，因?yàn)槠渲瞥蔁犭娕己髸?huì)產(chǎn)生一定的差異，所以在出廠前一般要經(jīng)過檢測。通過對傳統(tǒng)熱電偶檢定爐的設(shè)計(jì)和改造，研制出一種多溫區(qū)寬溫場的管式爐，應(yīng)用于連續(xù)熱電偶校準(zhǔn)工作中。

1 研究背景

早在上世紀(jì)60 年代中國計(jì)量科學(xué)院[3]就已研究制造出管式檢定爐。將鎳鉻絲或鉑絲按照計(jì)算的圈數(shù)和分格均勻的纏繞在爐管外，其溫度上限達(dá)到1100℃或1400℃，這種600 mm 長的單區(qū)加熱檢定爐結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉，在溫度計(jì)量領(lǐng)域廣泛應(yīng)用一直延續(xù)至今。

文獻(xiàn)[4]比較常規(guī)PID 控制和模糊PID 控制的優(yōu)劣；文獻(xiàn)[5]通過對管式爐溫場的研究得出，在爐管內(nèi)放置杯式均溫塊可以大幅改善溫場均勻性；文獻(xiàn)[6]通過對傳統(tǒng)熱電偶檢定爐進(jìn)行改進(jìn)，應(yīng)用了三段控溫技術(shù)，熱電偶檢定爐的軸向均勻溫場長度得到大幅提高；文獻(xiàn)[7]采用Fluent 仿真技術(shù)對三溫區(qū)溫場檢定爐進(jìn)行仿真分析，設(shè)計(jì)風(fēng)冷降溫機(jī)構(gòu)提高了熱電偶檢定爐的工作效率。近年，國產(chǎn)品牌的產(chǎn)品性能大幅提升，磐然公司的PR320 檢定爐以及康斯特公司的Const683A 智能標(biāo)準(zhǔn)爐均可達(dá)到最大溫差不超過0.5℃的均勻溫場[7-8]。

根據(jù)國家規(guī)范JJF 1631-2017[9]，連續(xù)熱電偶計(jì)量特性的校準(zhǔn)項(xiàng)目為示值偏差和均勻性，在300℃以上溫區(qū)可以使用熱電偶檢定爐做為熱源。由于傳統(tǒng)的熱電偶檢定爐是為了檢定/校準(zhǔn)傳統(tǒng)熱電偶設(shè)計(jì)而成的，一般為單側(cè)開口，并且均勻溫場不超過60 mm。而連續(xù)熱電偶的尺寸較長，長度一般在2 m以上。由于無固定測量端，校準(zhǔn)時(shí)熱電偶需要整體貫通檢定爐的兩端。由于連續(xù)熱電偶的鎧裝結(jié)構(gòu)，其本身就是一個(gè)高效的導(dǎo)熱體，又因熱電偶的校準(zhǔn)結(jié)果受熱傳導(dǎo)的影響[10]，所以加寬均勻溫場可以有效減低這一因素的影響。

2 工作原理和結(jié)構(gòu)

2.1 工作原理

普通的廉金屬熱電偶檢定爐呈臥式圓柱體，長約600 mm，爐膛直徑為40 mm。檢定爐的最高溫度取決于加熱絲的最高溫度，一般工作在300℃～1200℃，是通過電加熱絲加熱提升溫度。爐內(nèi)管和外殼之間使用保溫材料包裹，爐內(nèi)管內(nèi)的傳熱介質(zhì)為空氣，中心處具有一60 mm 的最高均勻溫場。控制系統(tǒng)通過控溫偶測量爐溫，爐體控溫偶一側(cè)通常用耐火磚進(jìn)行封堵。溫控器通過調(diào)節(jié)功率升高或恒定爐溫，額定功率一般在1.5 kW～3.0 kW[11]。

2.2 結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)檢定爐的基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)四溫區(qū)檢定爐，包括爐體、溫控器、滑輪和軌道標(biāo)尺、基座。外部結(jié)構(gòu)如圖1 所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示。包覆熱源外管的保溫材料選用氧化鋁纖維及氧化鋯纖維制成的高鋁氈，高鋁氈的外面使用導(dǎo)熱率小一個(gè)數(shù)量級的佑熱高溫材料。佑熱高溫材料之外使用金屬圓筒狀內(nèi)殼進(jìn)行固定，內(nèi)殼之外通過一定的空氣間隙包覆外殼。底座上安裝有觸摸屏，作為熱源的控制臺，底座內(nèi)安裝可控制電氣和4 回路溫度調(diào)節(jié)器。

圖1 四溫區(qū)檢定爐外部結(jié)構(gòu)圖Fig.1 External structure diagram of the four temperature zone calibration furnace

圖2 四溫區(qū)檢定爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Internal structure diagram of the four temperature zone calibration furnace

內(nèi)部沿用管式熱電偶檢定爐的基本結(jié)構(gòu)，爐體長度約為600 mm。以95 剛玉作為爐外管，以99 剛玉材料作為爐內(nèi)管，內(nèi)徑φ60 mm，外徑φ70 mm，長度615 mm。溫度上限可達(dá)1700℃，在常用的工作區(qū)間（1200℃以下）具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，不會(huì)產(chǎn)生變形。加熱絲采用φ1.5 mm 的鐵鉻鋁電加熱絲，沿爐管外壁分段、均勻繞制。

爐體內(nèi)置4 支S 型控溫?zé)犭娕迹渫鈱颖Ｗo(hù)管位于爐管外壁與加熱絲之間，沿爐管外壁向爐內(nèi)延伸，控溫偶測量端位于相應(yīng)溫區(qū)的軸向幾何中心。

2.3 技術(shù)指標(biāo)

四溫區(qū)檢定爐主要能夠滿足連續(xù)熱電偶的校準(zhǔn)，還應(yīng)兼顧廉金屬熱電偶以及短型偶的校準(zhǔn)，其技術(shù)指標(biāo)及各項(xiàng)參數(shù)如表1 所示。

表1 四溫區(qū)檢定爐技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical indicators of four temperature zone calibration furnace

3 溫場模式和PID 調(diào)節(jié)

3.1 溫場模式

根據(jù)檢定爐結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)置3 種溫場模式。寬溫場模式和中心溫場模式關(guān)系相近，但參數(shù)不同達(dá)到的溫場效果不同，兩種模式設(shè)定的各溫區(qū)的關(guān)系和作用如表2 所示。左側(cè)溫場模式設(shè)定下各溫區(qū)的關(guān)系和作用如表3 所示。

表2 寬溫場和中心溫場模式Tab.2 Wide temperature field and central temperature field modes

表3 左側(cè)溫場模式Tab.3 Left temperature field mode

檢定爐的主溫區(qū)設(shè)定為“2# 溫區(qū)”，由控制器的主通道負(fù)責(zé)溫度調(diào)節(jié)，構(gòu)成的調(diào)節(jié)閉環(huán)稱為主調(diào)節(jié)回路。其他為輔助溫區(qū)由控制器的輔助通道負(fù)責(zé)溫度調(diào)節(jié)，構(gòu)成的調(diào)節(jié)閉環(huán)稱為輔助調(diào)節(jié)回路。檢定爐的主溫區(qū)參數(shù)確定后，各輔助回路是以“跟蹤”方式進(jìn)行與主回路相關(guān)聯(lián)的溫度調(diào)節(jié)。

輔助回路SV 跟蹤方式是指：各輔助回路跟蹤主回路的設(shè)定溫度SVm，且在主回路當(dāng)前SVm的基礎(chǔ)上，疊加一個(gè)修正量Δt。即：

式中：SVai為第i 個(gè)輔助調(diào)節(jié)回路的設(shè)定溫度，℃；SVm為主調(diào)節(jié)回路的設(shè)定溫度，℃；Δti為第i 個(gè)輔助調(diào)節(jié)回路的SV 偏移量，℃。

在寬溫場模式下，為了彌補(bǔ)檢定爐兩端較大的熱散失，對于輔助溫區(qū)1#和4#的修正量為0℃。如果是中心溫場，為了形成以熱源軸向幾個(gè)中心對稱分布的拱形溫場，仍需彌補(bǔ)熱散失。但1# 和4# 兩溫區(qū)不必與主溫區(qū)保持相同的設(shè)定溫度，應(yīng)適當(dāng)降低，所以其修正量均為負(fù)值。

3.2 PID 調(diào)節(jié)

常規(guī)的溫度PID 調(diào)節(jié)器僅以溫度偏差（PV-SV）作為溫度調(diào)節(jié)的輸入量，對外界信息的利用相當(dāng)有限，控溫效果受到很大限制。PID 調(diào)節(jié)適合小偏差范圍的溫度調(diào)節(jié)，不太適合大偏差過程的調(diào)節(jié)，主要原因是大偏差（通常是升溫過程）條件下，被調(diào)對象（熱源）處于儲能升溫過程，不僅熱學(xué)模型與恒溫維持過程完全不同，即便勉強(qiáng)使用，兩種條件下的PID參數(shù)也相差很大。另外，PID 調(diào)節(jié)算法是基于線性數(shù)學(xué)模型，當(dāng)調(diào)節(jié)算法用于溫度調(diào)節(jié)時(shí)，將加熱功率的變化量與溫度偏差變化量按照線性關(guān)系進(jìn)行計(jì)算、調(diào)節(jié)。對于寬溫場的檢定爐來說，被調(diào)對象的熱容較大，爐溫會(huì)出現(xiàn)儲熱現(xiàn)象，現(xiàn)行調(diào)節(jié)容易出現(xiàn)超調(diào)和大幅震蕩等缺陷[12-13]。

所以要采取針對性的超前調(diào)節(jié)策略，抑制超調(diào)現(xiàn)象。在升溫過程中，當(dāng)溫度偏差（PV-SV）大于一定值時(shí)，將調(diào)節(jié)狀態(tài)從“儲熱升溫狀態(tài)”切換到“升、恒溫切換狀態(tài)”，一次性大幅度降低加熱功率，并維持該功率一段時(shí)間，同時(shí)等待溫度向設(shè)定溫度SV 趨近。后續(xù)的調(diào)節(jié)狀態(tài)為“升、恒溫狀態(tài)”，其主要任務(wù)是調(diào)節(jié)溫度按照規(guī)定的漸進(jìn)曲線接近SV。當(dāng)溫度偏差落入SV±2℃的小偏差帶內(nèi)，則調(diào)節(jié)狀態(tài)進(jìn)入“恒溫調(diào)節(jié)狀態(tài)”，此時(shí)可使用PID 等調(diào)節(jié)算法。當(dāng)溫度進(jìn)入小偏差帶內(nèi)，可以將個(gè)溫區(qū)維持在功率范圍內(nèi)，功率范圍的中值及帶寬隨設(shè)定溫度SV 的不同而不同，大幅降低“恒溫調(diào)節(jié)狀態(tài)”下的震蕩現(xiàn)象。

4 溫度場測試和校準(zhǔn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)方法

溫度場的測試方法基于微差法對爐溫分布進(jìn)行測試，接線方法如圖3 所示。使用8 支經(jīng)過校準(zhǔn)滿足工作用1 級的N 型熱電偶做為測量標(biāo)準(zhǔn)，從檢定爐的兩端平均放置。2 支以上熱電偶的布放也相當(dāng)于檢定爐的負(fù)載溫場測試，是一種挑戰(zhàn)性測試。軸向幾何中心兩支熱電偶作為溫場中心“0”位置的“固定偶”，其它熱電偶做為“移動(dòng)偶”，每間隔20 mm沿軸向向外分布。讀取完左右兩邊距中心：“20 mm、40 mm、60 mm”位置數(shù)據(jù)后，沿著軸向向外移動(dòng)。待爐溫重新穩(wěn)定后繼續(xù)測量左右兩邊距中心“80 mm、100 mm、120 mm”等其它位置。

圖3 爐溫測試接線方法Fig.3 Wiring method for furnace temperature testing

測量結(jié)果通過式（1）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理：

式中：Δt（t）i0為移動(dòng)偶在任一點(diǎn)相對于“0”點(diǎn)的溫度差值，℃；ΔE（t）i0為移動(dòng)偶在任一點(diǎn)相對于“0”點(diǎn)的熱電勢值差值，μV；S（t）為熱電偶在某測試溫度點(diǎn)的微分熱電勢值，μV/℃。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

檢定爐中心溫場模式下，各溫度點(diǎn)的溫場分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。檢定爐寬溫場模式下，各溫度點(diǎn)的溫場分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。檢定爐左側(cè)溫場模式下，各溫度點(diǎn)的溫場分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。

表4 中心溫場模式溫場分布Tab.4 Central temperature field mode temperature field distribution

表6 左側(cè)溫場模式溫場分布Tab.6 Left temperature field mode temperature field distribution

5 結(jié)語

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，四段溫區(qū)檢定爐的3 種模式溫場分布各有特點(diǎn)，基本可以達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的要求。在中心溫場模式測試結(jié)果中，從+20～-20 具有40 mm 均勻溫場，任意兩點(diǎn)溫差不超過0.5℃，可以滿足廉金屬熱電偶的校準(zhǔn)；從+40～-20 具有60 mm均勻溫場，任意兩點(diǎn)溫差不超過1℃。在寬溫場模式測試結(jié)果中，從+150～-150 具有300 mm 均勻溫場，任意兩點(diǎn)溫差不超過5℃，滿足連續(xù)熱電偶的校準(zhǔn)；且各測試溫度的最高溫度點(diǎn)都可以保持在“0”位置，在校準(zhǔn)連續(xù)熱電偶時(shí)可以將臨時(shí)熱接點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)偶測量端放置在該位置。在左側(cè)溫場模式測試結(jié)果中，從+240（距爐口約70 mm）至+200（距爐口約110 mm）具有40 mm 均勻溫場，任意兩點(diǎn)溫差不超過1℃。通過本次的研究可知，四溫區(qū)控溫可以提升傳統(tǒng)管式爐的計(jì)量性能，擺脫傳統(tǒng)單一溫區(qū)控制的限制，在控制模式和算法上具有挖掘創(chuàng)新的空間，可以適用連續(xù)熱電偶等各類高溫傳感器的校準(zhǔn)檢測工作。當(dāng)然，多溫區(qū)檢定爐的成本也會(huì)大幅提升，工藝制造較為復(fù)雜，對材料和加工精度的要求更為嚴(yán)格。在使用時(shí)爐溫穩(wěn)定時(shí)間也有所增加，多溫區(qū)協(xié)同能力還有待提升。