熱電偶校準(zhǔn)通常是將二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶和被校熱電偶捆扎在一起，放入管式爐合格溫場中用比較法完成的。管式爐溫場一致性是保證校準(zhǔn)結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素。在JJF1637-2017《廉金屬熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范》和JJF1262-2010《鎧裝熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范》中，對管式爐軸向溫場和徑向溫場都有著明確的要求。為了更好地保證熱電偶校準(zhǔn)時(shí)的溫場一致性，規(guī)范中提出了均溫塊的概念，以改善爐溫性能。但在實(shí)際工作中，由于校準(zhǔn)人員的重視程度不足，均溫塊的使用沒有得到很好的推廣。本文通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析，證明均溫塊對熱電偶校準(zhǔn)質(zhì)量的重要影響，并對其在實(shí)際工作中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。
1、均溫塊的結(jié)構(gòu)
熱電偶管式爐專用均溫塊是采用高溫合金材料(一般為鎳鉻合金)制作而成的均溫裝置，主要用來在廉金屬熱電偶(特別是鎧裝廉金屬熱電偶)校準(zhǔn)時(shí)起均溫作用，提高管式爐溫場均勻性，最高使用溫度1200℃。根據(jù)被校準(zhǔn)對象不同，均溫塊的結(jié)構(gòu)有所不同：單孔型均溫塊在中心開有一個(gè)單孔，使用時(shí)將普通廉金屬熱電偶捆扎成束后放入孔內(nèi)，如圖1a所示；多孔型均溫塊開有多個(gè)測試孔，使用時(shí)將鎧裝熱電偶直接插入孔中，無需捆扎，控溫孔可以和測試孔開在一面，也可以開在均溫塊的背面，所有開孔均為盲孔，如圖1b所示。本試驗(yàn)中將爐口處的擋板和均溫塊做成一體結(jié)構(gòu)，如圖1c所示，可以方便均溫塊在爐內(nèi)的定位，也便于溫場測試時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖1a 單孔型均溫塊 圖1b 多孔型均溫塊 圖1c 一體結(jié)構(gòu)型均溫塊
2、管式爐溫場測試數(shù)據(jù)比較
2.1 帶均溫塊時(shí)溫場測試數(shù)據(jù)
選取一臺(tái)管式爐，在1000℃下對其帶均溫塊時(shí)的溫場一致性進(jìn)行測試。 測試方法如下：將均溫塊置于管式爐中心位置，用2支二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶作為測試偶。軸向溫場測試時(shí)，一支插入均溫塊周邊任一孔底部作為固定熱電偶，另一支插入中心孔中作為移動(dòng)熱電偶。由孔底開始向外，測試30mm距離內(nèi)溫度一致性。徑向溫度場的測試采用微差法，先把移動(dòng)熱電偶和固定熱電偶的負(fù)極在參考端短接，之后將移動(dòng)熱電偶正極接測量儀器“+”，固定熱電偶正極接測量儀器“-”；然后將2支測試偶同時(shí)插入均溫塊中心孔底部，測得微差值，作為徑向溫場測試時(shí)“0”點(diǎn)位置的讀數(shù)；再測試徑向溫場上、下、左、右位置和中心孔在孔底處的溫度一致性。
帶均溫塊時(shí)軸向與徑向溫場測試示意圖分別如圖2軸向和圖3所示，測試結(jié)果如表1所示。由于均溫塊測試孔為盲孔，故測試結(jié)果為由孔底向外各點(diǎn)的數(shù)據(jù)。
圖2 軸向溫度場測試示意圖 圖3 徑向溫度場測試示意圖
表1 帶均溫塊時(shí)溫度場測試結(jié)果
方向 位置/cm 溫度分布/℃ 溫度差/℃
軸向 0 0 0.3(距均溫塊孔底0-3cm之間)
軸向 1 0.2 0.3(距均溫塊孔底0-3cm之間)
軸向 2 0.1 0.3(距均溫塊孔底0-3cm之間)
軸向 3 -0.1 0.3(距均溫塊孔底0-3cm之間)
徑向 上 0.1 0.2
徑向 右 0.2 0.2
徑向 下 0.2 0.2
徑向 左 0.2 0.2
徑向 0 0 0.2
2.2 未帶均溫塊時(shí)溫場測試數(shù)據(jù)
對同一臺(tái)管式爐，按JJF1184-2007《熱電偶檢定爐溫度場測試技術(shù)規(guī)范》的要求，在未置入均溫塊時(shí)，對其1000℃時(shí)軸向溫場和徑向溫場進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表2所示。
由于帶均溫塊時(shí)測試的是0-3cm的溫場一致性，因此只比較兩次測量管式爐同一側(cè)溫場的溫度均勻性。從溫場測試結(jié)果得出，均溫塊內(nèi)0-3cm溫度場一致性可達(dá)0.3℃，而未使用均溫塊時(shí)0-3cm的溫度場一致性為0.8℃。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知使用均勻塊后爐溫均勻性有了明顯提升，這主要緣于金屬良好的導(dǎo)熱性能。
3、熱電偶校準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較與分析
通過對熱電偶在不同管式爐內(nèi)、不同狀態(tài)下的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較，可以進(jìn)一步證明均溫塊在校準(zhǔn)中具有重要作用。
表2 未帶均溫塊時(shí)溫度場測試結(jié)果
方向 位置/cm 溫度分布/℃ 溫度差/℃
軸向 -3 0.7 1.0(-3~3cm之間)
軸向 -2 -0.2 1.0(-3~3cm之間)
軸向 -1 0.0 1.0(-3~3cm之間)
軸向 0 0.0 1.0(-3~3cm之間)
軸向 1 0.3 1.0(-3~3cm之間)
軸向 2 0.7 1.0(-3~3cm之間)
軸向 3 0.8 1.0(-3~3cm之間)
徑向 上 0.3 0.3
徑向 右 0.3 0.3
徑向 下 0.3 0.3
徑向 左 0.2 0.3
徑向 0 0 0.3
試驗(yàn)前，先對帶均溫塊管式爐控溫參數(shù)進(jìn)行整定，獲取相應(yīng)PID參數(shù)，按區(qū)域PID方法執(zhí)行溫度控制。
試驗(yàn)在兩臺(tái)管式爐中分別進(jìn)行，管式爐編號(hào)分別為17081504，160517。校準(zhǔn)時(shí)，先將均溫塊置于其中一臺(tái)管式爐內(nèi)，將二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶插入中心孔孔底，被校熱電偶插入均溫塊周邊任意孔底部，獲取一組校準(zhǔn)數(shù)據(jù)；然后，將均溫塊置于另一臺(tái)管式爐中，再次對這兩支熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)，觀察不同爐子之間校準(zhǔn)結(jié)果的差異。校準(zhǔn)結(jié)果見表3。
表3 帶均溫塊時(shí)熱電偶校準(zhǔn)數(shù)據(jù)
爐號(hào) 熱電偶編號(hào) 300℃點(diǎn)誤差/℃ 500℃點(diǎn)誤差/℃ 700℃點(diǎn)誤差/℃ 一致性/℃
17081504 128 -0.4 0.7 1.0 0.3
160517 128 -0.5 0.4 1.1 0.3
17081504 130 -0.1 0.1 0.4 0.3
160517 130 -0.4 0.1 0.6 0.3
為進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，在兩臺(tái)管式爐中，采用不帶均 溫塊的方式，分別對熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)工作用同一支標(biāo)準(zhǔn)熱電偶完成，以便更好地觀察均溫塊對熱電偶校準(zhǔn)結(jié)果的影響。校準(zhǔn)結(jié)果見表4。
從表3、表4中可以看出，未配均溫塊時(shí)，同一支熱電偶在兩臺(tái)管式爐中的校準(zhǔn)結(jié)果最大相差0.9℃；配均溫塊后，同一支熱電偶校準(zhǔn)結(jié)果最大相差0.3℃，熱電偶校準(zhǔn)結(jié)果一致性得到明顯改善。
表4 未帶均溫塊時(shí)熱電偶校準(zhǔn)數(shù)據(jù)
爐號(hào) 熱電偶編號(hào) 300℃點(diǎn)誤差/℃ 500℃點(diǎn)誤差/℃ 700℃點(diǎn)誤差/℃ 一致性/℃
17081504 128 -0.2 0.6 1.9 0.9
160517 128 -0.1 -0.3 1.1 0.9
17081504 130 -0.1 0.0 1.2 0.8
160517 130 -0.6 -0.8 0.6 0.8
在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱電偶捆扎成束裝爐后，由于捆扎的形狀和熱電偶本身的熱傳導(dǎo)特性會(huì)對爐溫均勻性產(chǎn)生影響。而通過加入均溫塊可有效改善熱電偶對爐溫均勻性的影響，提高管式爐合格溫區(qū)內(nèi)的溫場性能。并且均溫塊相當(dāng)于在爐內(nèi)裝載了一個(gè)負(fù)載，可減少溫度波動(dòng)對熱電偶校準(zhǔn)帶來的影響。
帶均溫塊校準(zhǔn)熱電偶時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：
①均溫塊使用的前提條件是管式爐本身要有合格的溫場，不能片面強(qiáng)調(diào)均溫塊的作用而忽視管式爐本身溫場的重要性；
②帶均溫塊后，管式爐的控溫滯后性增加，應(yīng)對帶均溫塊管式爐控溫參數(shù)進(jìn)行整定，匹配相應(yīng)PID參數(shù)，適當(dāng)延長恒溫時(shí)間，獲取更好的測量結(jié)果；
③校準(zhǔn)時(shí)，需要對熱電偶的插入深度做出標(biāo)記，當(dāng)熱電偶位置偏出時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并調(diào)整。
4、均溫塊在特殊結(jié)構(gòu)熱電偶校準(zhǔn)中的應(yīng)用
均溫塊不僅能夠改善溫場，還能改善檢定或校準(zhǔn)熱電偶時(shí)的換熱情況。在實(shí)際使用中，對于一些異形熱電偶，用常規(guī)的捆扎方法往往無法校準(zhǔn)。 而均溫塊的使用，可以提高管式爐對特殊結(jié)構(gòu)熱電偶的校準(zhǔn)能力。
①在真空熱處理設(shè)備中，由于工作溫度較高，需要用貴金屬熱電偶進(jìn)行控溫和溫場測試。為保證氣密性，有時(shí)會(huì)采用不可拆卸的陶瓷封裝結(jié)構(gòu)， 無法將偶絲抽出來進(jìn)行校準(zhǔn)。通過X光檢測可以發(fā)現(xiàn)，這類熱電偶的測量端和陶瓷管頂部之間往往具有一定的空隙。在與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶捆扎在一起進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，由于無法獲知測量端在瓷管內(nèi)的具體位置，導(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果誤差較大。對于這種情況，可以參考鎧裝熱電偶的校準(zhǔn)方法，將熱電偶插入均溫塊中進(jìn)行校準(zhǔn)。由于均溫塊本身具 有較好的孔間溫度一致性，可以獲得準(zhǔn)確可靠的校準(zhǔn)結(jié)果。但由于貴金屬熱電偶校準(zhǔn)溫度較高，需要綜合考慮均溫塊的使用溫度，采用合適的高溫合金塊。
②發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)用熱電偶因考慮氣流流速影響，一般在感溫端附近設(shè)計(jì)有進(jìn)氣孔和排氣孔，使氣流以一定的速度流過測量端。某發(fā)動(dòng)機(jī)T3熱電偶結(jié)構(gòu)如圖4所示。
該型熱電偶結(jié)構(gòu)特殊，因此校準(zhǔn)時(shí)對溫度場有著較高要求；并且這類熱電偶一般直徑比較粗，捆扎裝爐后會(huì)明顯改變管式爐溫場，造成校準(zhǔn)時(shí)受熱不均勻，帶來較大測量誤差，按常規(guī)方法無法準(zhǔn)確校準(zhǔn)。通過設(shè)計(jì)制作符合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的專用均溫塊，實(shí)現(xiàn)T3熱電偶靜態(tài)溫度特性校準(zhǔn)。該均溫塊的開孔尺寸略大于熱電偶直徑，孔深也隨之增加，保證熱電偶插入均溫塊的深度與孔徑之比滿足要求。由于均溫塊內(nèi)部的傳熱方式主要以導(dǎo)熱為主，高溫時(shí)金屬內(nèi)部溫度分布均勻，受溫度波動(dòng)影響小，故能夠提供一個(gè)穩(wěn)定且均勻的溫場。試驗(yàn)結(jié)果表明：將均溫塊應(yīng)用于T3熱電偶的校準(zhǔn)中是有效且可靠的。為了取得更好的校準(zhǔn)結(jié)果，還可以將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶套上與被校偶相似的外加金屬保護(hù)管，使二者輻射性能相接近。
③對于一些因固定卡套和接口法蘭等原因無法和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶從同一側(cè)放入爐內(nèi)校準(zhǔn)的熱電偶，可以考慮從均溫塊兩側(cè)開孔，孔底置于爐內(nèi)相同截面處，從管式爐兩端分別插入，完成校準(zhǔn)工作。這種情況下需要提前對均溫塊兩側(cè)溫度一致性進(jìn)行測試，確認(rèn)滿足使用要求后，方可實(shí)施校準(zhǔn)。
均溫塊作為輔助裝置，與管式爐配套使用，是改善溫場性能的重要手段，對于提高熱電偶校準(zhǔn)精度作用突出?？梢燥@著減小測量結(jié)果的不確定度，在對熱電偶進(jìn)行合格判定和修正值引用時(shí)效果明顯。合理地使用均溫塊，能夠?qū)犭娕夹?zhǔn)中遇到的問題提供更廣泛的解決思路。廣大計(jì)量人員應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到均溫塊作用的重要性，使其在溫度計(jì)量領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛與深入。
作者：李朝、劉戎、侯運(yùn)安
