工業熱電偶檢定用管式爐爐溫溫場的微機測試

摘要:論述了工業熱電偶檢定用管式爐爐溫溫場的微機測試方法,探討了測試中所涉及的一些方法與技術，比較了幾種測試手段的優劣,提出了一種可行的測試方法。
0前言
       在檢定熱電偶的工作過程中,管式檢定爐設備之一。檢定爐合格與否,直接關系到熱電偶的檢定精度。根據《中華人民共和國國家計量檢定規程JJG351-96》的規定,管式爐的長度為600mm,管內徑為40nm,常用最高溫度為1200℃高均勻溫場中心與爐子幾何中心的偏差不大于10nm,在長度不小于60nm、半徑為40nm的圓柱體形均勻溫場中,任意兩點間的溫差不大于1℃.
目前還沒有一種成熟的、公認的、規范的方法來對管式檢定爐溫場進行測試,所以,溫場測試情況在方法上、測試設備上及對規程技術要求的理解上都存在很大差異,從而造成了規程執行上的混亂和計量標準化的困難。因此,探討一種切實可行的、合理的測試方法是很急迫的。.
1測試方法
       根據檢測手段的不同,可將管式爐溫場的測試方式分為兩大類:一種是手工測試(如圖1所示),另一種是微機測試(如圖2所示)。在手工測試中,溫度的測量是用數字電壓表測熱電偶電勢,再換算成溫度,數據一般由人工記錄,數據處理大多也是人工進行。


       人工測試方法存在工作量大、人為因素不可避免的缺點,而這些問題都可在微機測試方法中得到解決。在微機測試時,熱電偶電勢測量過程中實現自動化,溫場數據的分析工作也可通過編程由微機完成。但是,測量熱電偶測點的移動還得由人工完成。也就是說,尚未實現完全自動化。.
       利用微機進行溫場測試及數據處理更要求有細致、標準的計算方法和操作步驟,所以一套完整的測試方案是實現微機測試溫場的前提。
為了設計出一套完整的微機測試溫場的方案,我們考慮了以下幾個方面的問題,并逐一進行了研究。
1.1定位塊選用
       定位塊主要用于熱電偶定位,其材料為耐火材料。規程附錄中規定選用兩塊形狀不同的定位塊(如圖3所示),其中一塊為兩孔的,另一塊為三孔的。但實際應用中發現,用這樣的定位塊易造成定位不準的結果。因為,使用形狀不同的兩塊定位塊進行溫場測量的過程中,測量熱電偶通過三孔定位塊固定,其工作端懸于爐體內,這就是所謂的懸臂梁式的測量方式。這樣做,熱電偶的工作端容易下垂、上翹、偏左或偏右,造成實際測溫點與期望測溫點不符。實驗證明,使用這種方法,兩次測試結果相差較大,也就是復現性差,測試結果可信度低。

1.2套管
考慮到使用套管將影響管式檢定爐爐內的溫度分布,有人建議不使用套管。但是,不使用套管難以實現熱電偶的定點測量,而利用套管,可將熱電偶沿軸向移動的軌道固定,易于操作,定位正確。另外,套管材料也需考慮,應以影響爐內溫場最小為.前提。
1.3最高均勻溫場中心
對于“最高均勻溫場中心”的涵義,有兩種理解。一種認為最高均勻溫場中心就是溫場中最高溫度點,可先確定最高溫度點,再確定以此點為中心的溫場是否均勻;另一種認為最高均勻溫場中心是均勻溫場的幾何中心,即先確定均勻溫場的大小，再確定溫場中心所在。
1.4溫場測點選擇
規程附錄中規定,在檢定爐的軸向共選取7個測點來確定溫場。顯然僅選取7個測點是不足以判斷所有的合格溫場情況。
1.5溫場測量值的計算
計算溫場測量值時,一般是將各測點的熱電偶電勢轉化為溫度值,再進行分析處理。但也有先計算出各測點溫度與控溫熱電偶處的溫度的差值,再對這些差值進行分析處理的做法。
1.6測量順序
       理論上應同時測量各測點的溫差,但實際操作上難以實現,只能分別測量,因此,就存在測量順序的選擇問題。
1.7保溫時間
       保溫時間是指從爐溫升至1000℃到開始測量數據之間所等待的時間。我們將其分為長時與短時兩種。長時等待2個小時;短時等待半個小時。保溫時間的長短變化顯然對測量結果有較大影響。
1.8測點變化后的測量條件
       每次移動測點后,因為存在測量偶和工作偶的熱平衡動態過程,所以不應馬上記錄數據。
2定位塊
       在實際操作中,我們選用兩塊形狀相同的定位塊(如圖4所示),而不選用兩塊形狀不同的定位塊,這是因為,采用形狀相同的定位塊,熱電偶的套管的一端固定于一個定位塊上,另一端固定于另一個定位塊上。這樣熱電偶插入套管中,就不會發生徑向偏差了。

3.套管
       對于套管,應盡量選取對管式檢定爐爐內的溫度分布影響小的套管。比較石英套管、剛玉管和陶瓷管,后兩種套管的管壁厚、熱慣性大,有均熱作用,熱電偶插入這些套管中,實際測得的溫度與真實溫度有較大的偏差。石英管管壁薄、熱慣性小,對管式檢定爐爐內的溫度分布影響較小，可真實地反映實際溫度。綜合考慮,我們選擇使用石英套管。
4最高均勻溫場中心的定義
       根據規程規定,最高均勻溫場中心與爐子幾何中心沿軸線上偏離不大于10nm。我們認為“最高均勻溫場中心”是指“均勻溫場的幾何中心”，而不是溫場中的“最高溫度點”。如圖5所示,5(a)中最高溫度點與均勻溫場的中心是重合的;5(6)所示的一段溫場的溫度分布為馬鞍形,其最高均勻溫場中心在B點,而最高溫度點在A1或A2點。正確理解最高均勻溫場的定義,將是正確判斷管式檢定爐溫場合格與否的關鍵。

5測點選擇
        如圖6所示,在徑向選取5個測點,在軸向選取9個測點,即共選取5X9=45個點作為測溫點。具體選取辦法如下:將制作好的定位塊裝入管式爐兩端,使其與爐端貼緊,并安裝好兩個石英套管。測量爐體長度(將定位塊的凸出部分也計算在內),計算出其中點處。將兩支二等熱電偶插入石英套管中,使其測量端處于爐軸線中點截面處。將中心孔處的熱電偶作為控溫熱電偶,另一孔處的熱電偶作為測溫熱電偶。在標準熱電偶絕緣管與定位塊外端面相交點,用陶瓷鉛筆做一記號,作為坐標“0'點,從此點分別向工作端和參考端每隔10nm做一記號,標上+4~-4坐標。軸向共9個測點,測量時只要移動測溫熱電偶,使其分別處于.4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4處即可;徑向共5個測點,即上下左右中5點,測量時只要轉動定位塊,使測溫熱電偶分別處于各個不同的徑向位置。測出的溫度數據可用矩陣表示:

        其中,θ,為各測溫點測得的溫度,行下標表示徑向位置,列下標表示軸向位置。

       規程規定,在檢定爐的軸向選取7個測點,即。3~+3,與此同時,又規定,最高均勻溫場中心與爐子幾何中心沿軸線上偏離不大于10nm,長度不小于60nm,由此推算出最偏離爐子幾何中心的合格溫場處于。4~+3或_3~+4之間。若只選取7個測點,就不能包含這兩種情況。
6溫場測量值的計算
       理論上溫場測量時,記錄的數據應為測點的實際溫度。但實際上,爐溫的保持是通過控溫熱電偶的反饋,由調節器不斷調節實現的,因此溫度值是不斷波動的。由于θ為時間t的函數,各點溫度并不是同時測得的,而有時間上的先后順序,所以直接測得的測點溫度,不能真實反映溫場分布。而用測點溫度與控溫熱電偶所測溫度之間的差值來反映溫場可以消除溫度控制造成的波動的影響。設

       可見，采用溫差可消除測量時間先后所帶來的誤差。同時,由于各測點處所測得溫差的基準點相同,所以在各測點所測得的溫差之間的差值等價于各測點處的溫度之間的差值。
7測量順序
測量順序分兩種:
(1)先軸向后徑向;
a保持熱電偶徑向位置不動,將其軸向移動,測完軸向9個測點;
b.將熱電偶徑向移動一位,重復a;
c重復b,直至測完徑向5個測點。
采取該種測量順序的測量數據如表1所示(恒溫時間為長時,測試共耗時320分鐘),其溫場分布曲線如圖7所示。

(2)先徑向后軸向
a保持熱電偶軸向位置不動,將其徑向移動,測完徑向5個測點;
b.將熱電偶軸向移動一位,重復a;
c重復b,直至測完軸向9個測點。
       采取該種測量順序的測量數據如表2所示(保溫時間為長時,測試共耗時372分鐘),其溫場分布曲線如圖8所示。
       分析以上兩組數據可知,兩者的結論相同,均勻溫場長度都為70nm,均勻溫場幾何中心偏離,爐子幾何中心5.0nm,且兩者反映的爐子特性也基本--致。由此可見，測量順序的不同對測試結果并無太大影響。先徑向后軸向的方法在操作上比先軸向后徑向的方法繁瑣,并且耗時長,在測得的數據上也比較分散一些,因此不宜推薦。

8保溫時間
        從爐溫升至1000℃起至開始測量的時間稱為保溫時間。按保溫時間長短可分為兩類:
(1)短時保溫
       從加熱爐子到開始測量,其間等待1個小時。由于爐子從室溫升至1000℃左右，大約需要30分鐘,所以保溫時間為30分鐘左右。
       采取短時保溫的測量數據如表3所示(采用先軸向后徑向的測試順序,整個測試過程耗時194分鐘),其溫場分布曲線如圖9所示。


(2)長時保溫
       從開始加熱爐子到開始測量,其間約等待3個小時。恒溫時間2個小時左右。
       采取:長時保溫的測量數據如表4所示(采用先軸向后徑向的測試順序,整個測試過程耗時194分鐘),其溫場分布曲線如圖10所示。

       分析以上兩組數據可知,短時保溫測得的均勻溫場長度僅為40nm,均勻溫場幾何中心偏離爐子幾何中心10nm,爐子不合格;長時恒溫測得的均勻溫場長度為70nm,均勻溫場幾何中心偏離爐子機械中心Smm,爐子合格。之所以會出現截然不同的結果,是因為在保溫時間不夠的情況下，爐溫尚不穩定,且分布不均勻,造成測試結果不正確?？梢?，保溫時間的長短對測試結果的正確性有著至關重要的影響。
9測點變化后的測量條件
       每次移動測點后,不能馬上記錄數據,要等到測溫熱電偶測得的溫度與控溫熱電偶測得的溫度同向變化,且它們的變化率不大于0.2℃/分時,才可記錄數據。其理由如下:
轉移測點后,熱電偶插入爐子內部的長度和位置都會發生變化,它會吸收或放出一部分熱量,以達到新的熱平衡,這樣會引起測點溫度的變化。測溫熱電偶測得的溫度的變化反映了該過程。而如前所述,爐溫并非恒定不變,而是不斷波動的.測溫熱電偶測得的溫度的變化反映了這一波動。只有兩者同向變化,才能說明測點周圍已經達到了新的熱平衡,此時測點溫度為爐子在該點的真實溫度。同時根據經驗,變化率不大于0.2℃/分時,測得的數據才較為正確。
10微機測試方法中所涉及的其它一些問題
10.1參考點的轉換
       在我們的溫場測試方案中,測溫偶與控溫偶可相互轉換,當測上下左右軸線上的溫度點時,中心軸線上的熱電偶為控溫偶,非中心軸線上的熱電偶為測溫偶;當測中心軸線上的溫度點時,非中心軸線上的熱電偶為控溫偶,中心軸線上的熱電偶為測溫偶。因此,就存在一個參考坐標變換的問題。具體分析如下:
(1)當測非中心軸線溫度點時,中心軸線上熱電偶工作端在中心軸線上的中心位置,其測量值
       表示為Ao;非中心軸線上熱電偶工作端在其軸線上的某一位置處,其測量值表示為θ,其中l表示徑向位置,j表示軸向位置。則溫差表示為



10.2溫場數據的分析
       溫場數據的分析工作可通過編程由微機完成,圖11是軟件流程圖(其中1表示均勻溫場長度,h表示最高均勻溫場中心與爐子幾何中心的偏差)。
11結論
根據以上的研究工作,可提出一套工業熱電偶檢定用管式爐爐溫溫玚微機測試的可行性方案:
1.使用兩塊形狀相同的兩孔定位塊;
2.使用石英套管;
3.選取9個軸向及5個徑向,共45個測點;
4.采用先軸向后徑向的測量順序;
5.采用長時保溫時間;.
6.測點變化后,應等待測溫偶與控溫偶所測溫度同向變化,且它們的溫變率都不大于0.2℃/分。