管式熱電偶檢定爐均勻溫場分析

       一直以來.計(jì)量部門及工業(yè)部門在校準(zhǔn)廉金屬鎧裝熱電偶時(shí)，常用管式熱電偶檢定爐,這種爐子因操作簡便、造價(jià)低廉而得到廣泛使用。通常規(guī)定管式爐的長度為600mm，加熱管內(nèi)徑約為40mm,常用最高溫度為1200℃,最高均勻溫場中心與爐子幾何中心沿軸線上偏離不大于10mm,在均勻溫場長度不小于60mm,半徑為14mm范圍內(nèi)，任意兩點(diǎn)間溫差不大于1℃。
       然而,我們通過測試發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有的管式爐溫場指標(biāo)在未放被校準(zhǔn)鎧裝偶(即空載)時(shí)測試可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),但在放置被校準(zhǔn)鎧裝偶(即滿載)時(shí),溫場不能達(dá)到“任意兩點(diǎn)間溫差不大于1℃的標(biāo)準(zhǔn)。而鎧裝偶在校準(zhǔn)過程中必然裝有被校準(zhǔn)鎧裝偶,在這種情況下如何得到一個(gè)均勻穩(wěn)定的溫場,使現(xiàn)有的管式爐在滿載時(shí)爐內(nèi)溫場達(dá)標(biāo)是問題的關(guān)鍵。
一、管式爐在未放置金屬均溫塊情況下的溫場測試
       我們參照J(rèn)JF1184--2007(熱電偶檢定爐溫度場測試技術(shù)規(guī)范》提供的測試方法,選用典型的管式熱電偶檢定爐分別在空載和滿載時(shí)進(jìn)行了溫場測試。由于鎧裝熱電偶在校準(zhǔn)時(shí)插人爐內(nèi)300mm,測量端區(qū)僅用到爐子均勻溫場的一半,因此,我們只研究放置熱電偶一側(cè)的溫場分布情況即可。
1.管式爐在未放被校準(zhǔn)鎧裝偶情況下的溫場測試
       選用兩支二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶,插人中6mm高鋁保護(hù)管中，兩支高鋁保護(hù)管分別插人管式爐兩端的定位塊中,中心間距為14mm,一支作移動標(biāo)準(zhǔn)偶,在管式爐軸向或徑向規(guī)定位置移動;另一支作固定標(biāo)準(zhǔn)偶，固定于軸向或徑向規(guī)定位置不動，兩支標(biāo)準(zhǔn)偶插人爐內(nèi)300mm。測試方法:將爐溫升至800℃，恒溫(50~60)min后開始測量，測出移動標(biāo)準(zhǔn)偶在任意一點(diǎn)相對于固定“0”點(diǎn)位置的溫度差值。溫場的測試結(jié)果如表1所示。

2.管式爐在放置被校準(zhǔn)鎧裝偶情況下的溫場測試
       將5支φ6mm的鎧裝偶與兩支插人φ6mm高鋁保護(hù)管的二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶捆扎成束,測量端在同一個(gè)徑向截面上，其中--支保護(hù)管放在中間;另一支保護(hù)管和5支鎧裝偶沿中間的保護(hù)管均勻分布，捆扎成束后直徑約18mm,插人爐內(nèi)300mm。測試方法同一、1,場的測試結(jié)果如表2所示。

       由表1和表2可以看出，管式爐在空載時(shí)進(jìn)行溫場測試,從爐中心沿?zé)犭娕家粋?cè)軸向30mm處的溫差為-0.74℃,半徑14mm的徑向范周內(nèi)任意兩點(diǎn)最大差值為0.44℃,可以滿足要求;而爐子在滿載時(shí)進(jìn)行溫場測試，從爐中心沿?zé)犭娕际?側(cè)軸向30mm處的溫差達(dá)到-2.26℃,超出了1℃,邊緣點(diǎn)與中心點(diǎn)的差值也達(dá)0.74℃,這給鎧裝熱電偶的校準(zhǔn)帶來了較大誤差。
       管式爐的溫場均勻性是評定鎧裝熱電偶校準(zhǔn)結(jié)果不確定度的一個(gè)重要分量,在滿載時(shí)，其溫場均勻性較差,得到的不確定度也偏大，導(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果不正確。
3.從傳熱學(xué)角度分析以上測試結(jié)果，
       管式爐在未放置金屬均溫塊的情況下,空載時(shí)的溫場明顯優(yōu)于滿載時(shí),分析其原因,主要是由于爐子進(jìn)行溫場測試時(shí),兩端爐口通常用保溫材料(如硅酸鋁保溫棉)封堵,管式爐內(nèi)溫度很高，空載時(shí),爐內(nèi)的傳熱方式有輻射換熱和自然對流換熱，而當(dāng)爐溫穩(wěn)定后，爐內(nèi)氣體流動緩慢,自然對流可以忽略不計(jì),爐內(nèi)傳.熱以輻射換熱為主，爐膛內(nèi)近似于一個(gè)黑體輻射腔,爐內(nèi)各處受熱均勻.故溫場比較均勻。而爐子在滿載情況下進(jìn)行溫場測試時(shí),由于鎧裝偶外鎧材為合金材料,在高溫時(shí)鎧裝偶插人爐內(nèi)部分與露出爐外部分的溫差較大，因而沿著鎧裝偶由爐內(nèi)至爐外會有熱傳導(dǎo)，導(dǎo)致爐子有一部分的熱損失，故沿?zé)犭娕际蓛?nèi)至外溫度梯度較大,溫場均勻性較差。
二、管式爐在放置金屬均溫塊
       惰況下的溫場測試為了提高管式爐溫場的均勻性,我們提出校準(zhǔn)鎧裝偶時(shí),在管式爐均勻溫場的中心應(yīng)放置-個(gè)高溫合金均溫塊，材料選用高溫時(shí)比較穩(wěn)定的鎳鉻合金。
       該均溫塊的示意圖如圖1所示,我們對同一管式爐在放有該均溫塊的情況下，進(jìn)行了空載和滿載情況下的溫場測試。

1.管式爐在未放被校鎧裝偶情況下的溫場測試
       選用6支同一尺寸的高鋁保護(hù)管(壁厚約1mm)插人均溫塊各孔底部,將6支二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電，偶分別插人保護(hù)管內(nèi)，使標(biāo)準(zhǔn)偶測量端處于均溫塊各孔底部的同一個(gè)截面上。測試時(shí)，將均溫塊的幾何中心截面置于管式爐均勻溫場的中心，標(biāo)準(zhǔn)偶插人爐內(nèi)深度約為325mm,控溫?zé)犭娕?K型熱電偶,偶絲直徑3.0mm)插人控溫偶孔深度為35mm。將爐溫升至800℃,恒溫(50~60)min后開始測量。測量徑向溫場時(shí),將各支標(biāo)準(zhǔn)偶測量端在各孔底部時(shí)的示值作為徑向溫場測試結(jié)果。測量軸向溫場時(shí),選擇一支標(biāo)準(zhǔn)偶作為固定標(biāo)準(zhǔn)偶，再選撣3支相間隔的標(biāo)準(zhǔn)偶作為移動標(biāo)準(zhǔn)偶,在管式爐軸向規(guī)定位置移動,測量3支移動標(biāo)準(zhǔn)偶在任意一點(diǎn)相對于固定“0”點(diǎn)位置的溫度差值,將3支移動偶中相對于“0”點(diǎn)位置溫度變化最大的一支標(biāo)準(zhǔn)偶的讀數(shù)作為軸向溫場測試結(jié)果。溫場的測試結(jié)果如表3所示。

2.管式爐在放置被校鎧裝偶情況下的溫場測試
       選用兩支同一尺寸的高鋁保護(hù)管(壁厚約1mm)插均溫塊同一直徑上的兩個(gè)孔底部,將兩支二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10鉑熱電偶分別插人保護(hù)管內(nèi),再選擇4支鎧裝偶插人均溫塊其余4孔底部,使標(biāo)準(zhǔn)偶和鎧裝偶的測量端處于均溫塊各孔底部的同一個(gè)截面上，其中一支標(biāo)準(zhǔn)偶作為固定標(biāo)準(zhǔn)偶;另一支標(biāo)準(zhǔn)偶作為移動標(biāo)準(zhǔn)偶，測試方法同
二、1,溫場的測試結(jié)果如表4所示。

       由表3和表4可以看出,管式爐在裝有均溫塊時(shí)進(jìn)行溫場測試,無論是否放置被校準(zhǔn)鎧裝偶,從孔底算起其軸向30mm內(nèi)溫差均不大于0.5℃,孔底部同一截面任意孔間的溫差的絕對值均不大于0.25℃。
3.從傳熱學(xué)角度分析以，上測試結(jié)果
       管式爐在放置金屬均溫塊的情況下,其溫場優(yōu)于未放置均溫塊時(shí),這主要是由于測試時(shí)均溫塊與管式爐壁互相接觸,空隙非常小，爐溫穩(wěn)定后,爐內(nèi)壁與均溫之間以及均溫塊內(nèi)部的傳熱方式均以導(dǎo)熱為主,而金屬的導(dǎo)熱系數(shù),比熱容等熱物性都比干空氣大很多,高溫時(shí)金屬內(nèi)部導(dǎo)熱速度快且溫度分布更均勻,故溫度梯度小,溫場均勻性好。而且.均溫塊材料選取的是鎳鉻合金,鎳鉻合金在高溫時(shí)的熱穩(wěn)定性好熱惰性較大,當(dāng)爐溫穩(wěn)定后，即使溫度有一定波動,均溢塊內(nèi)部導(dǎo)熱滯后,也不會受到爐溫波動的影響。
三、管式爐在未放均溫塊與放置均溫塊時(shí)溫場測試結(jié)果的比較
       放置均溫塊后較之于未放均溫塊時(shí),管式爐的溫場指標(biāo)有所提高，圖2和圖3是幾種情況下溫場測試結(jié)果的比較。


       從圖2和用3可以看出:管式爐在放置均溫塊后軸向溫場和徑向溫場的均勻性均有了大幅提高，尤其在帶有被校準(zhǔn)裝偶(滿載)時(shí),軸向30mm內(nèi)的溫差提高了近5倍。
四、結(jié)束語
       通過以上試驗(yàn)我們可以得出:在傳統(tǒng)的管式爐內(nèi)放置金屬均溫塊可以提高溫場的均勻性,同時(shí)降低鎧裝偶校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度。
       經(jīng)實(shí)際計(jì)算，管式爐內(nèi)未放置均溫塊進(jìn)行鎧裝偶校準(zhǔn)時(shí),在800℃點(diǎn)其校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度約為1.35℃,而在管式爐內(nèi)放置均溫塊進(jìn)行鎧裝偶校準(zhǔn)時(shí)，在800℃點(diǎn)其校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度約為0.85℃,不確定度降低了約0.6℃。
       通過在管式爐內(nèi)放置均溫塊來改善溫場,提高校準(zhǔn)結(jié)果正確率,,這種方法既簡便又節(jié)省了更換校準(zhǔn)設(shè)備的投資,這對推動我國校準(zhǔn)部門改進(jìn)鎧裝熱電偶校準(zhǔn)裝置有借鑒意義。目前,由遼寧省計(jì)量科學(xué)研究院起草的<鎧裝熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范》提出,應(yīng)在管式爐內(nèi)放置均溫塊進(jìn)行鎧裝偶的校準(zhǔn),2009年11月，全國溫度計(jì)量技術(shù)委員會已經(jīng)討論通過了在傳統(tǒng)管式爐內(nèi)放置均溫塊進(jìn)行鎧,裝偶校準(zhǔn)的方法。