管式熱電偶檢定爐的溫場改進

摘要:傳統的管式電熱偶檢定爐的溫場在不同溫度下不一致且無法調節,在實際測試中給測試結果帶來了較大的不確定度。文章通過改造管式電阻爐的控溫方式,即通過三段控溫的方法,使得檢定爐的溫場可調節,并大大提高其技術指標,從而降低了校準時的測量不確定度。
       熱電偶是常用的測溫原件，由于受到測量環境、使用溫度等因素影響，熱電偶長期使用后測量正確性會發生變化,所以熱電偶需要定期檢定。檢定時通常采用比較法，將標準熱電偶和被檢熱電偶放置在均勻恒溫場中比較，而熱電偶檢定爐就是用來提供恒溫溫場的。管式檢定爐由于結構簡單、造價低廉是常用的熱電偶檢定爐。
       國家計量檢定規程中要求，檢定工作用廉金屬熱電偶的檢定爐在測試溫度1000℃時，均勻溫場長度不小于60mm,半徑14mm范圍內,任意兩點間溫度差不大于1℃;檢定工作用貴金屬熱電偶的檢定爐在測試溫度1100℃時，溫度最高點土20mm內有溫度變化梯度≤04℃/10mm的均勻溫場。
1存在的問題
       按照JJF1184- 2007《熱電偶檢定爐溫度場測試技術規范》中提到的測試方法,溫場測試是在空載中完成的。經實驗發現,在放置被檢熱電偶后,由于熱傳導效應,爐溫的溫場指標會變差。測試是在指定溫度(1000℃和1100℃)進行的,低溫段的溫場不一定能滿足指標。而在實際實驗中也發現,低溫段和高溫段均溫溫場位置有發生偏移的現象,低溫段相較高溫段需要更長的穩定時間。在實際工作中,可以通過加恒溫塊的方法可以提高溫場的技術指標,但在實際檢測中,各種不同規格的熱電偶需要不同規格的恒溫塊,操作時也不是很方便,恒溫塊在檢定貴金屬熱電偶也存在沾污標準器的問題而無法使用。
       這些都是由檢定爐的特性決定的,檢定爐主要由外殼、保溫層、加熱元件、爐膛四部分組成。爐膛一般是由陶瓷材料做成,而陶瓷材料屬于熱的不良導體。爐膛與電熱絲之間熱量傳導的介質是空氣,而空氣也屬于熱的不良導體，所以檢定爐內部的熱量傳導方式不能簡單的用線性系統理論來描述。目前常規的管式電阻爐采用自然降溫法,導致了檢定爐升溫和降溫過程中模型的不-致。檢定爐的固有特性是升溫單向性、非線性、滯后性大慣性、時變性,并且降溫難,無調節手段。在實際系統中,爐溫的控制系統相當復雜又很難用數學公式描述。
2多段控溫改進溫場
       常用的管式電阻爐由纏繞在爐管外的電熱絲進行加熱,在爐管外加耐高溫材料和保溫棉,控溫偶放置在爐體中心位置,采用單點控溫的方法。爐體的恒溫溫場在爐體的中心位置附近，通過調節保溫磚和保溫棉使爐體溫場達到要求。單點控溫的管式爐最高溫度點在爐體的中心位置,在一- 段位置溫度差變化較小，而離開這個溫區后,越是靠近爐口位置,溫度變化越大。而通過采用多段控溫的方法,可以極大的提高溫場,并且可以根據需要進行調節。
       為了調節方便和對稱性考慮，我們采用三段控溫的方法來提高管式爐的溫場。將原有管式爐的電熱絲分為三段每-段單獨配有一個控溫熱電偶,將三支控溫熱電偶連接到三路控溫表上。控溫儀采用島電三路控溫表,結合調相板、交流接觸器和可控硅以及控溫熱電偶組成測溫、控制調節回路。控制用熱電偶將檢定爐的溫度信號送給控溫儀，與設定值比較后,溫控表顯示出測量的溫度值,并同時輸出(4~20)mA電流，可控硅電壓調整器隨著(4~20)mA電流的變化,自動改變輸出脈沖的寬度,來控制可控硅輸出電壓的高低,從而挖制檢定爐溫度。通過調節三個控溫位置熱電偶的溫度修正值即可調節爐子的溫度場。如圖1所示。

3溫場測試及調試
       檢定爐正常工作后,開始調試工作,利用控溫表對控制參數進行自整定,通過編制相關軟件將控溫表中參數保存下來,方便日后該檢定爐在不同溫度點的控制。以常用溫度800℃進行測試調試,按照JJF1184-2007《熱電偶檢定爐溫度場測試技術規范》進行溫度場空載測試,未調試前檢測結果如表1所示,其中，“0”是指檢定爐中心點位置,“1”和“-1"表示距離中心點左右10mm距離,其他數字依次類推。
測試結果如表1所示，該檢定爐在800℃的溫場顯示該爐子溫場右側高,左側低在(-3-3)范圍內溫度差為12℃。結合控溫偶所在位置綜合考慮,將右側控溫偶的修正值提高10℃, 將左側控溫偶的修正值減少20℃,等待爐子重新穩定后,以同樣的方法再次進行空載測試,測試結果如表2所示,調整后該爐子在(-5~4)范圍內溫度差為09℃,在(-5~2)范圍內的溫度差只有05℃,大大優于規范上的要求，調試結果令人滿意。

按照此方法,可以將常用溫度點的溫場進行調試，數據保存,方便軟件控制。而測試結果也驗證了三段控溫的可行性,測試結果令人滿意。三段控溫使得爐子的溫場可以調節,可操作性好,可以根據自己的需要調節溫場,對于降低測量不確定度有著不錯的效果。