熱電偶檢定爐應(yīng)用進(jìn)展

于韶穎

（青海省計(jì)量檢定測試院，西寧 810000）

0 引言

開展熱電偶檢定工作需要用到電測儀表、熱電偶檢定爐、退火爐和其他配套設(shè)備，其中電測儀表具有一定的通用性，而熱電偶檢定爐則為最重要的專用設(shè)備，其技術(shù)發(fā)展對(duì)熱電偶的檢定和使用極為重要。當(dāng)前采用熱電偶檢定爐開展檢定工作，依然存在耗時(shí)長，工作繁瑣等問題。

熱電偶檢定裝置總體在往自動(dòng)方向發(fā)展，檢定效率持續(xù)提升。自動(dòng)恒溫、自動(dòng)記錄及生成符合國家計(jì)量檢定規(guī)程要求的檢定記錄及檢定證書成為了極具吸引力的重要功能。結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理快及準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，集成微機(jī)系統(tǒng)的智能化熱電偶檢定裝置，其應(yīng)用大大降低了檢定員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)提升了數(shù)據(jù)處理的可靠性。

本文聚焦于熱電偶檢定爐領(lǐng)域，調(diào)研了相關(guān)的理論技術(shù)進(jìn)展以及行業(yè)產(chǎn)品進(jìn)展，從這兩個(gè)層面進(jìn)行了綜述。

1 熱電偶檢定爐理論技術(shù)進(jìn)展

1.1 多溫區(qū)加熱控溫技術(shù)

于凡[1]在附帶風(fēng)冷降溫功能的管式熱電偶檢定爐研制中，采用了多溫區(qū)技術(shù)，最終獲得了長度為100mm的溫場，均勻度達(dá)到0.165℃。張雪峰[2]針對(duì)傳統(tǒng)的管式熱電偶檢定爐溫場的不同溫度下溫場指標(biāo)表現(xiàn)不一致且無法調(diào)節(jié)，測試結(jié)果不確定度偏大的固有問題，通過改造管式電阻爐的控溫方式，即通過三段控溫的方法降低了校準(zhǔn)時(shí)的測量不確定度。上述工作的測試結(jié)果驗(yàn)證了三段控溫的可行性，獲取了滿意的測試結(jié)果。

在多溫區(qū)技術(shù)方面，康斯特儀表提出一種物理分區(qū)加熱方案[3]，加熱區(qū)分三段并獨(dú)立控制，解決峰值電流過大，且獲取了更長的中心均溫區(qū)，且通過不同加熱模式實(shí)現(xiàn)了多種工作模式（長爐、短爐及退火爐）。FLUKE公司提出一種方案分時(shí)間專利技術(shù)[4]，將加熱過程分成3個(gè)時(shí)間階段，通過分時(shí)加熱這種加熱絲的重新串聯(lián)配置方法，解決峰值電流過大的問題。

1.2 短型熱電偶相關(guān)

現(xiàn)行的熱電偶檢定爐溫度場測試技術(shù)規(guī)范是JJF1184-2007《熱電偶檢定爐溫度場測試技術(shù)規(guī)范》[5]，該規(guī)范為（300～1500）℃范圍內(nèi)包括帶控溫器和不帶控溫器的臥式管式檢定爐溫度場的測試提供了依據(jù)，也為立式管式檢定爐、退火爐的測試提供了標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范中明確區(qū)分了檢定爐和短爐。

傳統(tǒng)的測量設(shè)備和測量方法在高溫區(qū)往往無法準(zhǔn)確測量短型熱電偶的示值偏差。王喆等[6]通過實(shí)驗(yàn)找到其測不準(zhǔn)的原因，設(shè)計(jì)研發(fā)接線端恒溫器，在一定程度上減小不確定度，同時(shí)也驗(yàn)證了采用接線端恒溫器的新的校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)短型偶更為準(zhǔn)確。宋光政[7]探討了基于CST4001全自動(dòng)溫度檢定系統(tǒng)的短型廉金屬熱電偶的校準(zhǔn)方法，進(jìn)行了校準(zhǔn)的不確定度來源分析和評(píng)定。葛紀(jì)全[8]介紹了一種短型熱電偶校準(zhǔn)裝置，闡述了該系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)組成，并通過試驗(yàn)的方法對(duì)熱電偶傳感器特性進(jìn)行校準(zhǔn)研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)短型熱電偶溫度特性進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，還有學(xué)者對(duì)熱電偶引線直徑與測溫偏移開展了研究。Pavlasek等[9]介紹了不同直徑熱電偶在210多個(gè)小時(shí)高溫下測試的電壓輸出變化，建立了電壓漂移水平與熱電偶引線直徑之間的關(guān)系，并創(chuàng)建漂移函數(shù)，表達(dá)了漂移率和熱電偶引線直徑之間的依賴性。

1.3 控制及自動(dòng)化

張雪峰[10]發(fā)展了熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)，其通過編寫自動(dòng)檢定軟件完成整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試工作，并將該方法在上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院的工作用廉金屬熱電偶校準(zhǔn)裝置上試驗(yàn)，獲得了穩(wěn)定的運(yùn)行效果。卯聲松[11]針對(duì)熱電偶檢定耗時(shí)的問題，利用繼電器切換開關(guān)代替機(jī)械運(yùn)動(dòng)型切換開關(guān)，縮短數(shù)據(jù)采集時(shí)間；開發(fā)系統(tǒng)軟件，實(shí)測結(jié)果表明，系統(tǒng)自動(dòng)工作獲取的數(shù)據(jù)，擴(kuò)展不確定度的最大值為0.64℃（最大允許誤差的2/3），熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)測量精度滿足要求，達(dá)到了熱電偶自動(dòng)檢定目的。馮冬青等[12]為了提高熱電偶檢定爐溫度的控制性能，研究了檢定爐模型的在線辨識(shí)方法和控制器參數(shù)的自整定方法，設(shè)計(jì)了檢定爐溫度智能控制系統(tǒng)，其試驗(yàn)結(jié)果表明基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制器在200℃～1200℃之間對(duì)檢定爐溫度控制的性能指標(biāo)優(yōu)越于傳統(tǒng)PID控制器。魏錦俊[13]提出了利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合的新型熱電偶自動(dòng)檢測模式，給出了多參數(shù)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)修正、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和報(bào)告判定的總體構(gòu)架，進(jìn)一步開發(fā)了熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作便捷，可以滿足熱電偶計(jì)量器具檢測工作需求。

劉禮威[14]針對(duì)檢定接線復(fù)雜，傳統(tǒng)PID控制器在工作環(huán)境變化時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間與精度較差的問題，設(shè)計(jì)了結(jié)合模糊算法與傳統(tǒng)PID算法的模糊PID控制器，獲得了響應(yīng)特性優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制器，穩(wěn)態(tài)精度更高，超調(diào)量更小的爐溫度控制系統(tǒng)。陳磊[15]針對(duì)熱電偶檢定工作人力投入大及人為因素帶來不確定度等問題，基于圖像化編程語言LabVIEW和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，使用LabVIEW開發(fā)了上位機(jī)軟件，系統(tǒng)具有檢定時(shí)間快，控溫精度高的優(yōu)勢。孟卓珩等[16]從工作用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程所確定的檢定原理和計(jì)算方法出發(fā)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)熱電偶熱電動(dòng)勢的計(jì)算方法，設(shè)計(jì)出一套軟件，可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶證書值和被檢熱電偶待檢溫度點(diǎn)、熱電動(dòng)勢實(shí)測值，自動(dòng)計(jì)算被檢高溫?zé)犭娕荚冢?00～1100）℃全量程范圍內(nèi)的溫度偏差并判斷檢定結(jié)論。劉成超等[17]根據(jù)熱電偶檢定爐溫度控制過程的特點(diǎn)和要求，構(gòu)建了以AT89C52單片機(jī)為檢測控制中心的智能控制系統(tǒng)，由單片機(jī)、熱電偶、A/D轉(zhuǎn)換芯片、SCR模塊等構(gòu)成，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)精確控制，具有線路簡單，精度高，響應(yīng)快，顯示直觀，使用方便等特點(diǎn)。劉慧英等[18]針對(duì)傳統(tǒng)熱電偶檢定軟件修改和升級(jí)比較麻煩的問題，提出了一種基于組件式設(shè)計(jì)思路的檢定軟件方案，經(jīng)現(xiàn)場測試，可自動(dòng)完成熱電偶的檢定工作。組件式的設(shè)計(jì)及開發(fā)思路給本領(lǐng)域軟件的編制、修改和升級(jí)帶來了方便，具有借鑒意義。

1.4 爐體工藝技術(shù)

強(qiáng)化熱輻射技術(shù)：陳軍2017[19]為降低能耗，減少大氣環(huán)境的污染，采用黑體技術(shù)對(duì)加熱爐進(jìn)行了強(qiáng)化熱輻射技術(shù)改造。雖然不是在檢定爐領(lǐng)域內(nèi)的工作，但由于加熱原理的相同性，其工藝改進(jìn)值得本領(lǐng)域進(jìn)行學(xué)習(xí)。該工作通過熱輻射材料進(jìn)行強(qiáng)化處理爐膛內(nèi)襯，調(diào)節(jié)爐襯輻射方向，增加傳熱面積，減少熱損失，達(dá)到強(qiáng)化傳熱效果，最終爐溫均勻性和穩(wěn)定性得到提高，在加熱量基本相同的情況下，能耗明顯降低。

高溫漏電問題的解決：熱電偶檢定爐在高溫條件下漏電現(xiàn)象幾乎是一個(gè)行業(yè)通行問題，市售大量產(chǎn)品存在此缺陷。檢定爐在檢定1000℃以上的溫度點(diǎn)時(shí)，隨著溫度的升高，材料中的自由電子運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)。高溫會(huì)導(dǎo)致爐管材料的絕緣強(qiáng)度下降。由于在熱電偶檢定過程中，需要人工對(duì)檢定爐的熱電偶位置進(jìn)行更換，漏電問題不僅會(huì)影響加熱功率的穩(wěn)定性，導(dǎo)致測量值發(fā)生波動(dòng)從而影響測量結(jié)果，還會(huì)導(dǎo)致檢定爐發(fā)生漏電等問題，嚴(yán)重威脅操作人員的生命健康安全[20]。經(jīng)分析，剛玉管高溫漏電會(huì)在被檢偶和標(biāo)準(zhǔn)偶上產(chǎn)生很強(qiáng)的共模電壓，如果測量表隔離強(qiáng)度不夠，會(huì)造成測量值波動(dòng)大的問題，從FLUKE 9118A[21]公開的資料看，尚未解決這個(gè)問題。北京康斯特公司的ConST683A[22]在結(jié)構(gòu)硬件上進(jìn)行創(chuàng)新，采用特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增設(shè)接地屏蔽罩，徹底解決了漏電問題，實(shí)測全溫度區(qū)間均無漏電現(xiàn)象。該解決方法給熱電偶檢定爐的工藝設(shè)計(jì)提供了重要參考。

均熱塊：針對(duì)傳統(tǒng)單溫區(qū)檢定爐溫場指標(biāo)不佳，檢定爐滿載時(shí)溫場的技術(shù)指標(biāo)不符合要求，以及檢測時(shí)管式爐溫場的波動(dòng)大的問題，侯素蘭[23]設(shè)計(jì)了杯式高溫合金均溫塊與管式爐配套使用，提高了溫場的技術(shù)指標(biāo)，減小了溫場的波動(dòng)，可滿足不同直徑熱電偶的檢測。實(shí)測顯示：放置杯式均溫塊的技術(shù)指標(biāo)比未放置杯式均溫塊的提高了很多。

1.5 其它理論技術(shù)工作進(jìn)展

王浩[24]發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的管式爐溫場指標(biāo)在空載時(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)，溫場均勻度不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。其測試顯示在管式爐內(nèi)放置均溫塊可以達(dá)到改善溫場的效果，這種方法既簡便又節(jié)省了更換校準(zhǔn)設(shè)備的投資，對(duì)推動(dòng)國內(nèi)校準(zhǔn)部門改進(jìn)鎧裝熱電偶校準(zhǔn)裝置有借鑒意義。劉曉青等[25]針對(duì)熱電偶檢定效率低下的現(xiàn)狀問題，通過分析熱電偶檢定整個(gè)工作流程現(xiàn)狀，制定了基于實(shí)際需求的高效檢定流程，達(dá)到了提高熱電偶檢定效率的目的。

2 熱電偶檢定爐設(shè)備進(jìn)展

2.1 國外進(jìn)展情況

國外的熱電偶檢定爐起步早，積累了一定優(yōu)勢，在國際市場上占據(jù)了高端產(chǎn)品市場的大部分份額。美國FLUKE公司[21]開發(fā)的9118A型熱電偶檢定爐內(nèi)置了溫度控制器，不需要使用外置溫控裝置和電腦就可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的溫度源。爐內(nèi)采用雙區(qū)的溫度控制，以實(shí)現(xiàn)溫度均勻性和迅速的加熱速率。其加熱器內(nèi)嵌于耐火的陶瓷纖維材料中，形成了一套兩件式的加熱組件。

ISOTECH公司出品的球狀熱電偶檢定裝置Model Saturn 877[26]極為獨(dú)特，由多個(gè)同心外殼組成。旋壓金屬外殼用于容納和支撐，里面是一層陶瓷纖維，內(nèi)部是一個(gè)陶瓷球形罩，其中包含加熱器繞組。爐子中間是一個(gè)帶有8個(gè)或16個(gè)管子的實(shí)心鑄陶瓷球，用于容納需要校準(zhǔn)的熱電偶。該產(chǎn)品在許多方面都具有領(lǐng)先性：球形確保了恒溫的中心區(qū)域，熱電偶圍繞校準(zhǔn)球的圓周插入后，測量接頭位于球體中心，彼此相距幾毫米；最多可以同時(shí)校準(zhǔn)15個(gè)熱電偶，在1000℃溫度點(diǎn)精度介于±0.25℃和±0.1℃之間使用新開發(fā)的現(xiàn)代陶瓷材料，可以獲得高精度、低質(zhì)量和高穩(wěn)定性。

2.2 國內(nèi)進(jìn)展情況

國內(nèi)的熱電偶檢定爐起步比較早，但是直到近幾年才有快速發(fā)展，部分產(chǎn)品達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。北京康斯特儀表于2020年推出的ConST683A智能標(biāo)準(zhǔn)爐[22]面向國際市場，它的智能自動(dòng)化水平、核心溫場指標(biāo)、整機(jī)設(shè)計(jì)、操作便利性、控溫速度、靈活性等方面都有全新的升級(jí)，極大地提高了檢定/校準(zhǔn)的效率。由于采用了獨(dú)立的三段控溫技術(shù)，3支獨(dú)立的控溫偶實(shí)時(shí)監(jiān)測溫場狀態(tài)，應(yīng)用智能控溫算法，保證溫場指標(biāo)；同時(shí)，獨(dú)立溫區(qū)技術(shù)帶來附加功能，可以用作600mm檢定爐、300mm檢定爐和1100℃點(diǎn)退火爐，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了3種功能，具有顯著的經(jīng)濟(jì)性。產(chǎn)品使用外風(fēng)道散熱設(shè)計(jì)，在檢定爐內(nèi)部達(dá)到1200℃的高溫時(shí)，外殼溫度只有30℃左右，提高了產(chǎn)品整機(jī)的安全系數(shù)。此外，針對(duì)行業(yè)普遍存在的高溫漏電問題，ConST683A采用創(chuàng)新技術(shù)和特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免了高溫漏電的安全隱患。該產(chǎn)品的推出打破了國外品牌對(duì)高端市場的壟斷地位，通過下文的參數(shù)對(duì)比表，結(jié)合ConST683A型本身的智能自動(dòng)化操控系統(tǒng)，可認(rèn)為其代表了國內(nèi)和國際熱電偶檢定爐的最高水準(zhǔn)。

3 熱電偶檢定爐發(fā)展展望

本文針對(duì)熱電偶檢定，及關(guān)鍵設(shè)備熱電偶檢定爐進(jìn)行了調(diào)研，分析整理了相關(guān)理論、工藝技術(shù)進(jìn)展情況，以及整機(jī)及市場產(chǎn)品進(jìn)展兩個(gè)層面進(jìn)行了綜述。結(jié)合綜述情況，對(duì)熱電偶檢定爐發(fā)展展望如下：

1）理論技術(shù)層面，在本領(lǐng)域發(fā)展最為活躍，但是工作分散度高，且存在大量相似重復(fù)的工作，系統(tǒng)的規(guī)律性總結(jié)較少見，不利于形成行業(yè)理論共識(shí)，需要更多的系統(tǒng)性研究論文進(jìn)行支撐。

2）檢定爐產(chǎn)品領(lǐng)域，近年上市的產(chǎn)品數(shù)量眾多，而具有顯著創(chuàng)新的產(chǎn)品則較為少見。具有最高溫度指標(biāo)，最高自動(dòng)智能化水平的產(chǎn)品，才是代表未來的產(chǎn)品。

3）熱電偶的檢定工作繁瑣，其操作執(zhí)行耗時(shí)耗力，始終是領(lǐng)域工作的一大痛點(diǎn)。本領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)從理論、系統(tǒng)化設(shè)備、自動(dòng)化程序多角度、系統(tǒng)性地規(guī)劃和架構(gòu)，推進(jìn)行業(yè)進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)熱電偶檢定的全流程自動(dòng)智能化，助力制造業(yè)效率升級(jí)。

表1 典型熱電偶檢定爐產(chǎn)品對(duì)比表Table 1 Comparison table of typical thermocouple calibration furnace products

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