箱式電阻爐校準修正方法和不確定度評定方法探討

(北京航空航天大學可靠性與系統工程學院 北京 100191)

一、引言

隨著近年產品的不斷發展升級，對精密儀器測試的精準度逐年提高,同時對產品校準修正能力要求也相應的提高。精密儀器的校準修正的準確度對武器裝備質量的提高、科技人才的培養、國防工業等領域的發展發揮著越來越重要的作用。

箱式電阻爐作為工業領域重要的熱處理儀器設備，具有升溫快，隔熱性好，使用安全，維修方便等優點的加熱設備。其廣泛在企業車間用于合金鋼熱處理，物理化學分析等用途。基于JJF1376-2012箱式電阻爐校準規范，針對箱式電阻爐校準系統和測試項目，在誤差源分析基礎上，研究箱式電阻爐校準系統主要誤差源-測試通道的校準修正方法，以提高校準精度。在研究中，我們必須對這些不確定度進行分析，對不確定度的大小進行合理的估計，努力減少實際測量中不確定度帶來的影響。建立爐溫均勻性、爐溫穩定度、爐溫偏差和最大溫差的不確定度評估算法，以完善箱式電阻爐校準系統。

二、箱式電阻爐及其校準系統

(一)箱式電阻爐

箱式電阻爐是國家標準節能型周期作業電爐，主要用于金屬鍛壓前加熱、金屬熱處理加熱、釬焊、粉末冶金燒結、玻璃陶瓷焙燒和退火、低熔點金屬熔化、砂型和油漆膜層的干燥等熱處理之用。

箱式電阻爐主要由爐體和控制器組成，兩者既可自成獨立，也可組合為一體。爐體一般為臺式，由加熱元件、爐襯(包括耐火層和保溫層)以及爐殼組成，測溫熱電偶置于箱式電阻爐爐堂內，用補償導線連接測溫熱電偶和箱式電阻爐溫度控制器。

(二)箱式電阻爐校準系統

1.傳感器

熱電偶溫度計是溫度測量儀表中常用的測溫元件，它可以直接測量出與溫度相對應的熱電動勢值，并通過電氣儀表將熱電動勢值轉換成被測介質的溫度值。熱電偶是一種無源傳感器，測量時無需外加電源，具有結構簡單、制造方便、測量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號便于遠傳等許多優點，使得熱電偶使用十分方便，應用極為廣泛，N型熱電偶的特點是：線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩定性和均勻性較好，高溫抗氧化性能強，價格便宜，短期熱循環的復現性好，耐核輻照及耐低溫性能好，其綜合性能優于K型熱電偶，適用于氧化性、惰性氣氛中，不適用于真空，含碳、含硫氣氛及還原與氧化交替的氣氛中。本校準系統采用的溫度傳感器獨立測量單元是N型熱電偶，精度為Ⅱ級。

2.測試通道——高精度溫濕度測試系統

高精度溫濕度測試系統以高精度數據采集器為核心，采集通道為20通道，配備與采集模塊通訊和進行數據處理的數據采集軟件，進行溫度和濕度的現場采集。溫度補償導線用于消除室溫對測試結果的影響。通常前端與校準用熱電偶相連接，后端與高精度溫度濕度測試儀相連接。校準測試軟件通常是以開發好校準系統專用軟件，時刻顯示當前箱式電阻爐爐內溫度。

(三)校準項目及其誤差源分析

1.校準項目

(1)爐溫均勻度。箱式電阻爐在校準溫度下，測溫區內各溫度點上，測得的最高、最低實際溫度分別與中心點實際溫度之差。

(2)爐溫穩定度。箱式電阻爐在校準溫度下，中心點上測得的溫度最大、最小值分別與平均值之差。

(3)爐溫偏差。箱式電阻爐達到熱穩定狀態時，測溫去在各個溫度點在規定時間內，測得的最高、最低實際溫度分別與標稱溫度的偏差。

(4)爐內最大誤差。箱式電阻爐在校準溫度下，測溫區各溫度點，測得的最大值和最小值之差。

2.校準項目誤差源分析

表1 校準項目誤差來源及說明

三、修正方法研究

(一)基于最小二乘法對測量通道的修正

1.最小二乘法的概述

最小二乘法是一種數學優化方法，它通過最小化誤差的平方和尋找數據的最佳函數匹配。利用最小二乘法可以簡便地求得未知的數據，并使得這些求得的數據與實際數據之間誤差的平方和為最小。最小二乘法還可用于曲線擬合。最小二乘法是處理數據最常用的方法，具有精度高，便于誤差分析等優點，研究選用最小二乘法對測量數據進行處理。

2.數據的采集

校準前將檢測熱電偶測量端固定在測溫架各個測溫點的位置上，做好標記。然后將測溫架裝入爐內，熱電偶參考段引出爐外。依標記的序號分別通過轉換開關與測量儀器相連接。關閉爐門，通電升溫，將箱式電阻爐的控溫儀表按需要設定的溫度值。

校準箱式電阻爐檢測溫度點可以選擇實際的常用溫度，也可選擇箱式爐的最低工作溫度和最高工作溫度。當爐溫達到校準溫度，并處于熱穩定狀態后開始讀數。在30min內，每隔2min記錄各個測溫點的溫度1次，至少測量15次。每一次記錄各個測溫點的溫度應在1min內完成。

對實驗數據進行最小二乘法二次數據擬合，得到誤差修正模型。

四、箱式電阻爐不確定度評估算法

(一)不確定度評定

用于合理表征被測量之值的分散性與測量結果相關聯的參數，稱為不確定度。在實際測量工作中，測量需要得出測量結果，即被測量的數值，然后計算出測量結果的不確定度。

(二)箱式電阻爐不確定度評估算法

爐溫均勻性的不確定度評估算法：

以爐溫均勻性為例，討論箱式電阻爐爐溫均勻性Δθ，數學模型如下：

δΔθ=δt采+δt偶+δt重+δt參+δt波動度

式中：δt采——測量系統測量結果引入的影響量，℃；

δt偶—— 熱電偶測量結果引入的影響量，℃；

δt重——測量結果重復性引入的影響量，℃；

δt參——熱電偶參考端引入的影響量，℃；

δt波動度——爐溫波動度引入的影響量，℃。