管式熱電偶檢定爐的溫場改進研究

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。

關鍵詞：熱電偶檢定爐；三段控溫；研究

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準確性會發生變化，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、造價低廉是最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±20mm內有溫度變化梯度≤0.4℃/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一致。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，每一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，從而控制檢定爐溫度。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1.2℃。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1.0℃，將左側控溫偶的修正值減少2.0℃，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0.9℃，在（-5～2）范圍內的溫度差只有0.5℃，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。

參考文獻

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作者簡介：張雪峰（1988-），男，上海，學歷：本科。