熱電偶檢定爐應用進展

摘要:聚焦于熱電偶檢定爐，調研了相關的理論技術進展，包括多溫區(qū)加熱控溫技術、短型熱電偶測溫相關的控制及自動化技術以及爐體工藝進展，進一步聚焦國內外研究領域及產品市場，介紹了整機及典型主流產品的應用進展情況。最后，結合綜述情況給出了熱電偶檢定爐發(fā)展展望，指出熱電偶檢定爐發(fā)展應從理論、系統(tǒng)化設備、自動化程序進行多角度、系統(tǒng)性的規(guī)劃和架構，以提升裝置自動化、智能化為核心，助力熱電偶計量檢定效率升級。
0引言
　　開展熱電偶檢定工作需要用到電測儀表、熱電偶檢定爐、退火爐和其他配套設備，其中電測儀表具有一定的通用性，而熱電偶檢定爐則為最重要的專用設備，其技術發(fā)展對熱電偶的檢定和使用極為重要。當前采用熱電偶檢定爐開展檢定工作，依然存在耗時長，工作繁瑣等問題。
　　熱電偶檢定裝置總體在往自動方向發(fā)展，檢定效率持續(xù)提升。自動恒溫、自動記錄及生成符合國家計量檢定規(guī)程要求的檢定記錄及檢定證書成為了極具吸引力的重要功能。結合計算機數據處理快及準確的優(yōu)點，集成微機系統(tǒng)的智能化熱電偶檢定裝置，其應用大大降低了檢定員的勞動強度，同時提升了數據處理的可靠性。
　　聚焦于熱電偶檢定爐領域，調研了相關的理論技術進展以及行業(yè)產品進展，從這兩個層面進行了綜述。
1熱電偶檢定爐理論技術進展
1.1多溫區(qū)加熱控溫技術
　　在附帶風冷降溫功能的管式熱電偶檢定爐研制中，采用了多溫區(qū)技術，最終獲得了長度為100mm的溫場，均勻度達到0.165℃。針對傳統(tǒng)的管式熱電偶檢定爐溫場的不同溫度下溫場指標表現(xiàn)不一致且無法調節(jié),測試結果不確定度偏大的固有問題，通過改造管式電阻爐的控溫方式，即通過三段控溫的方法降低了校準時的測量不確定度。上述工作的測試結果驗證了三段控溫的可行性,獲取了滿意的測試結果。
　　在多溫區(qū)技術方面，提出一種物理分區(qū)加熱方案B，加熱區(qū)分三段并獨立控制，解決峰值電流過大，且獲取了更長的中心均溫區(qū)，且通過不同加熱模式實現(xiàn)了多種工作模式(長爐、短爐及退火爐)。提出一種方案分時間專利技術4，將加熱過程分成3個時間階段，通過分時加熱這種加熱絲的重新串聯(lián)配置方法，解決.峰值電流過大的問題。
1.2短型熱電偶相關
　　現(xiàn)行的熱電偶檢定爐溫度場測試技術規(guī)范是JJF1184-2007《熱電偶檢定爐溫度場測試技術規(guī)范》5，該規(guī)范為(300~1500)℃范圍內包括帶控溫器和不帶控溫器的臥式管式檢定爐溫度場的測試提供了依據，也為立式管式檢定爐、退火爐的測試提供了標準，規(guī)范中明確區(qū)分了檢定爐和短爐。
　　傳統(tǒng)的測量設備和測量方法在高溫區(qū)往往無法準確測量短型熱電偶的示值偏差。通過實驗找到其測不準的原因，設計研發(fā)接線端恒溫器，在一定程度上減小不.確定度，同時也驗證了采用接線端恒溫器的新的校準方法校準短型偶更為準確。探討了基于CST4001全自動溫度檢定系統(tǒng)的短型廉金屬熱電偶的校準方法，進行了校準的不確定度來源分析和評定。介紹了一種短型熱電偶校準裝置，闡述了該系統(tǒng)的工作原理和結構組成，并通過試驗的方法對熱電偶傳感器特性進行校準研究，實現(xiàn)了對短型熱電偶溫度特性進行準確評價，還有對熱電偶引線直徑與測溫偏移開展了研究。介紹了不同直徑熱電偶在210多個小時高溫下測試的電壓輸出變化，建立了電壓漂移水平與熱電偶引線直徑之間的關系，并創(chuàng)建漂移函數，表達了漂移率和熱電偶引線直徑之間的依賴性。
1.3控制及自動化
　　發(fā)展了熱電偶自動檢定系統(tǒng)，其通過編寫自動檢定軟件完成整個系統(tǒng)的調試工作，并將該方法在計量測試技術研究院的工作用廉金屬熱電偶校準裝置上試驗，獲得了穩(wěn)定的運行效果。針對熱電偶檢定耗時的問題，利用繼電器切換開關代替機械運動型切換開關，縮短數據采集時間;開發(fā)系統(tǒng)軟件，實測結果表明，系統(tǒng)自動工作獲取的數據,擴展不確定度的最大值為0.64℃.(最大允許誤差的2/3),熱電偶自動檢定系統(tǒng)測量精度滿足要求，達到了熱電偶自動檢定目的。為了提高熱電偶檢定爐溫度的控制性能，研究了檢定爐模型的在線辨識方法和控制器參數的自整定方法，設計了檢定爐溫度智能控制系統(tǒng)，其試驗結果表明基于RBF神經網絡的控制器在200℃~1200℃之間對檢定爐溫度控制的性能指標優(yōu)越于傳統(tǒng)PID控制器昌。利用計算機技術、自動控制技術和數字化技術相結合的新型熱電偶自動檢測模式，給出了多參數數據采集、數據修正、數據存儲和報告判定的總體構架，進一步開發(fā)了熱電偶自動檢定系統(tǒng),經實際運行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作便捷，可以滿足熱電偶計量器具檢測工作需求。
　　針對檢定接線復雜，傳統(tǒng)PID控制器在工作環(huán)境變化時調節(jié)時間與精度較差的問題，設計了結合模糊算法與傳統(tǒng)PID算法的模糊PID控制器，獲得了響應特性優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制器，穩(wěn)態(tài)精度更高，超調量更小的爐溫度控制系統(tǒng)。針對熱電偶檢定工作人力投人大及人為因素帶來不確定度等問題，基于圖像化編程語言LabVIEW和計算機控制技術，使用LabVIEW開發(fā)了上位機軟件，系統(tǒng)具有檢定時間快，控溫精度高的優(yōu)勢。工作用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程所確定的檢定原理和計算方法出發(fā)，結合標準熱電偶熱電動勢的計算方法,設計出一套軟件，可根據標準熱電偶證書值和被檢熱電偶待檢溫度點、熱電動勢實測值，自動計算被檢高溫熱電偶在(300~1100)℃全量程范圍內的溫度偏差并判斷檢定結論。根據熱電偶檢定爐溫度控制過程的特點和要求，構建了以AT89C52單片機為檢測控制中心的智能控制系統(tǒng)，由單片機、熱電偶、AD轉換芯片、SCR模塊等構成，通過軟件編程實現(xiàn)正確控制，具有線路簡單，精度高，響應快，顯示直觀，使用方便等特點。針對傳統(tǒng)熱電偶檢定軟件修改和升級比較麻煩的問題，提出了一種基于組件式設計思路的檢定軟件方案，經現(xiàn)場測試，可自動完成熱電偶的檢定工作。組件式的設計及開發(fā)思路給軟件的編制、修改和升級帶來了方便,具有借鑒意義。
1.4爐體工藝技術
　　強化熱輻射技術:為降低能耗，減少大氣環(huán)境的污染，采用黑體技術對加熱爐進行了強化熱輻射技術改造。雖然不是在檢定爐領域內的工作，但由于加熱原理的相同性，工藝改進值得進行學習。該工作通過熱輻射材料進行強化處理爐膛內襯，調節(jié)爐襯輻射方向,增加傳熱面積，減少熱損失，達到強化傳熱效果，最終爐溫均勻性和穩(wěn)定性得到提高，在加熱量基本相同的情況下，能耗明顯降低。
　　高溫漏電問題的解決:熱電偶檢定爐在高溫條件下漏電現(xiàn)象幾乎是一個行業(yè)通行問題，市售大量產品存在此缺陷。檢定爐在檢定1000℃以上的溫度點時，隨著溫度的升高，材料中的自由電子運動能力增強。高溫會導致爐管材料的絕緣強度下降。由于在熱電偶檢定過程中，需要人工對檢定爐的熱電偶位置進行更換，漏電問題不僅會影響加熱功率的穩(wěn)定性，導致測量值發(fā)生波動從而影響測量結果，還會導致檢定爐發(fā)生漏電等問題，嚴重威脅操作人員的生命健康安全0。經分析，剛玉管高溫漏電會在被檢偶和標準偶上產生很強的共模電壓，如果測量表隔離強度不夠，會造成測量值波動大的問題，從FLUKE9118A121公開的資料看，尚未解決這個問題。
　　均熱塊:針對傳統(tǒng)單溫區(qū)檢定爐溫場指標不佳，檢定爐滿載時溫場的技術指標不符合要求，以及檢測時管式爐溫場的波動大的問題，設計了杯式高溫合金均溫塊與管式爐配套使用，提高了溫場的技術指標，減小了溫場的波動，可滿足不同直徑熱電偶的檢測。實測顯示:放置杯式均溫塊的技術指標比未放置杯式均溫塊的提高了很多。
1.5其它理論技術工作進展
　　發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的管式爐溫場指標在空載時測試可以達到標準，但在放置被校準鎧裝偶(即滿載)時，溫場均.勻度不能達到標準。其測試顯示在管式爐內放置均溫塊可以達到改善溫場的效果，這種方法既簡便又節(jié)省了更換校準設備的投資，對推動國內校準部門改進鎧裝熱電偶校準裝置有借鑒意義。針對熱電偶檢定效率低下的現(xiàn)狀問題，通過分析熱電偶檢定整個工作流程現(xiàn)狀，制定了基于實際需求的高效檢定流程，達到了提高熱電偶檢定效率的目的。
熱電偶檢定爐設備進展
2.1國外進展情況
　　國外的熱電偶檢定爐起步早，積累了一定優(yōu)勢，在國際市場上占據了高端產品市場的大部分份額。熱電偶檢定爐內置了溫度控制器，不需要使用外置溫控裝置和電腦就可以實現(xiàn)標準的溫度源。爐內采用雙區(qū)的溫度控制，以實現(xiàn)溫度均勻性和迅速的加熱速率。其加熱器內嵌于耐火的陶瓷纖維材料中，形成了一套兩件式的加熱組件。
2.2國內進展情況
　　國內的熱電偶檢定爐起步比較早，但是直到近幾年才有快速發(fā)展，部分產品達到了國際領先水平。針對行業(yè)普遍存在的高溫漏電問題,ConST683A采用特殊結構設計，避免了高溫漏電的安全隱患。該產品的推出打破了國外品牌對高端市場的壟斷地位，通過下文的參數對比表，結合ConST683A型本身的智能自動化操控系統(tǒng)，可認為其代表了國內和國際熱電偶檢定爐的最高水準。
熱電偶檢定爐發(fā)展展望
　　針對熱電偶檢定，及關鍵設備熱電偶檢定爐進行了調研，分析整理了相關理論、工藝技術進展情況，以及整機及市場產品進展兩個層面進行了綜述。結合綜述情況，對熱電偶檢定爐發(fā)展展望如下:
1)理論技術層面，在發(fā)展最為活躍，但是工作分散度高，且存在大量相似重復的工作，系統(tǒng)的規(guī)律性總結較少見，不利于形成行業(yè)理論共識，需要更多的系統(tǒng)性.研究論文進行支撐。
2)檢定爐產品領域，近年上市的產品數量眾多,而具有顯著產品則較為少見。
3)熱電偶的檢定工作繁瑣，其操作執(zhí)行耗時耗力,始終是領域工作的一大痛點。發(fā)展應從理論、系統(tǒng)化設備、自動化程序多角度、系統(tǒng)性地規(guī)劃和架構,推進行業(yè)進展，實現(xiàn)熱電偶檢定的全流程自動智能化，助力制造業(yè)效率升級。