管式爐也稱熱電偶檢定爐，是一種恒溫設(shè)備，其溫度范圍通常為 300 ～ 1 100 ℃［1］ ( 不同產(chǎn)品的加熱原理不同，部分產(chǎn)品的溫度上限達(dá)到 1 200 ℃甚至 1600 ℃［2］) ，按外觀型式分為: 臥式和立式。管式爐通常用于檢定或校準(zhǔn)各型高溫傳感器，是溫度計(jì)量領(lǐng)域中使用非常為廣泛的高溫恒溫?zé)嵩�。管式爐爐溫溫場(chǎng)性能直接關(guān)系到各類高溫傳感器的計(jì)量性能，溫度傳感器的準(zhǔn)確可靠對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)和科技研發(fā)至關(guān)重要。所以要研究制定負(fù)載狀況下管式爐溫度場(chǎng)測(cè)試方法以提高管式爐溫度場(chǎng)分布的均勻性。 

 

1 研究背景

          國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的管式爐溫度場(chǎng)分布測(cè)試方法［3］，是在管式爐空載的情況下，測(cè)量其軸向溫度場(chǎng)分布和徑向溫度場(chǎng)分布。這樣的測(cè)量方法，只適用于生產(chǎn) 和 銷 售 單 位，用此方法可以得到其溫度場(chǎng) 分 布 情 況，以標(biāo)明技術(shù)指標(biāo)，它 的 測(cè) 量對(duì)象側(cè)重的是管式爐本體。但在全國(guó)各個(gè)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)中，作為使用單位希望管式爐的溫度場(chǎng)測(cè)量要服務(wù)于對(duì)溫度傳感器的測(cè)量，開 展 檢定或校準(zhǔn)工作時(shí)要參考相關(guān)溫度傳感器的計(jì)量技術(shù)法規(guī)［4］，如在校準(zhǔn)鎧裝熱電偶或廉金屬熱電偶時(shí)，管式爐爐管中應(yīng)使用均溫塊以提高溫度場(chǎng)性能。然而在國(guó)內(nèi)還沒有相關(guān)的技術(shù)法規(guī)或者 國(guó) 家 標(biāo) 準(zhǔn)，也沒有這類測(cè)量方法的研究。由于不同國(guó)家法律法規(guī)不同，外國(guó)的相關(guān)研究并不具有參考性。

 

2 研究對(duì)象

          適用于 300 ～ 1 200 ℃ 范圍內(nèi)帶溫控器的臥式管式爐 ( 也稱臥式熱電偶檢定爐) 溫度場(chǎng)的測(cè)試。按照用途分類，適用于 “廉金屬/鎧裝熱電偶用管式爐”和 “廉金屬/鎧裝熱電偶用短型管式爐”。廉金屬/鎧裝熱電偶用管式爐的長(zhǎng)度一般為600 mm，爐管的內(nèi)徑直徑一般為 40 mm; 廉金屬/鎧裝熱電偶用短型管式爐的長(zhǎng)度一般為 300 mm，爐管的內(nèi)徑直徑一般為 40 mm［5］。除管式爐本體外，在測(cè)量負(fù)載狀況下管式爐溫場(chǎng)時(shí)，爐管內(nèi)應(yīng)配置尺寸與之相適應(yīng)的均溫塊，其剖面和插孔分布如圖 1 所示。均溫塊在 1 250 ℃高溫下不發(fā)生形變［6］。

3 測(cè)量條件

3. 1 環(huán)境條件

          環(huán)境溫度和環(huán)境濕度沒有具體要求，所以參考電測(cè)設(shè)備的工作環(huán)境，故 環(huán) 境 溫 度 為 ( 23 ± 5) ℃，環(huán)境濕度不大于 80% ＲH［7］。

 

3. 2 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

          設(shè)備名稱: 工作用貴金屬熱電偶; 型號(hào)規(guī)格: S; 測(cè)量范圍: 300 ～ 1 300 ℃ ; 準(zhǔn)確度等級(jí): 工作用 1 級(jí); 數(shù)量: 5 支; 其他要求: 檢定或校準(zhǔn)后不超過 3 個(gè)月，也可使用準(zhǔn)確度等級(jí)或擴(kuò)展不確定度不低于它的其他設(shè)備。 3. 3 配套設(shè)備

( 1) 電測(cè)儀器: 準(zhǔn)確度等級(jí)不低于 0. 02 級(jí);測(cè)量范圍一般為 0 ～ 100 mV; 分辨力 0. 1 μV。 ( 2) 轉(zhuǎn)換開關(guān): 各路寄生電勢(shì)及各路寄生電勢(shì)之差均不大于 0. 4 μV。 ( 3) 冰點(diǎn)恒溫器: 冰瓶或零度恒溫器。 ( 4) 計(jì)時(shí)器、直尺或卷尺、定位輔助裝置:滿足測(cè)量需求即可。 4 測(cè)量方法

 

4. 1 準(zhǔn)備工作

          新購(gòu)置的或長(zhǎng)時(shí)間未使用過的管式爐應(yīng)提前進(jìn)行烘爐處理，可在其溫度范圍上限溫度點(diǎn)保持恒溫 2 h 左右，然后關(guān)閉電源自然降至室溫［8］。將均溫塊、定位輔助裝置安裝在爐內(nèi)，均溫塊的底部位于軸向均勻溫場(chǎng)內(nèi)，控溫偶插入均溫塊的控溫插孔內(nèi)。均溫塊連接好定位桿，將五支測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)作編號(hào)后套陶瓷保護(hù)管插入均溫塊底部，其分布位置如圖 2 所示。用尺測(cè)量爐口兩端距離，計(jì)算爐中心點(diǎn)，中心點(diǎn)標(biāo)記為 “0”點(diǎn); 從此點(diǎn)分別向工作端和參考端每隔 10 mm 作一記號(hào)，標(biāo)出“－ 3 ～ + 3”坐標(biāo)位置，使用鉛筆在定位桿上作相應(yīng)記號(hào)，如圖 3 所示。

          爐口使用耐火棉封堵，S 型熱電偶的參考端與信號(hào)線連接后插入冰點(diǎn)恒溫器內(nèi)，插入深度不小于 150 mm，其接線方式如圖 4 所示。

4. 2 測(cè)試溫度點(diǎn)

          測(cè)試溫度點(diǎn)可以在管式爐溫度范圍的上、下限溫度點(diǎn)，也可以根據(jù)實(shí)際工作情況選取其他測(cè)試溫度點(diǎn)［9］。

 

          準(zhǔn)備工作完成后，將管式爐爐溫恒溫在測(cè)試溫度點(diǎn)上，爐溫偏離測(cè)試溫度點(diǎn)不超過 ± 5 ℃，恒溫時(shí)間 不 低 于 50 min，當(dāng)達(dá)到爐溫變化不超過0. 2 ℃ /min 時(shí) ( 以 S 偶 1 讀數(shù)為依據(jù)) ，即開始測(cè)量。 

4. 3 溫場(chǎng)測(cè)試

          移動(dòng)定位桿，將均溫塊在 “－ 3 ～ + 3”坐標(biāo)位置移動(dòng)，測(cè)量順序?yàn)?－ 3， － 2， － 1，0，1，2， 3，往返一個(gè)循環(huán)。移動(dòng)到一個(gè)位置點(diǎn)后，調(diào)整每個(gè)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，使其始終保持在均溫塊底部，待爐溫滿足本文 4. 2 要求后，開始讀數(shù)。 

5 數(shù)據(jù)處理

          將測(cè)量讀數(shù)進(jìn)行記錄，并將測(cè)試溫度點(diǎn)坐標(biāo)位置中各個(gè)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的兩次測(cè)量循環(huán)讀數(shù)，求其平均值。將平均值和某支測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)在該測(cè)試溫度點(diǎn)的修正值相加。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，各個(gè)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn) 1 的差值中取非常大值作為溫度場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果。

 

6 結(jié)論

          對(duì)該測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量不確定度分析和評(píng)定，可以得出測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度 U = 0. 25 ℃， k = 2。該方法與傳統(tǒng)的管式爐溫場(chǎng)測(cè)量方法進(jìn)行比較，使用了更多的工作用貴金屬熱電偶，避免標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在測(cè)量管式爐溫場(chǎng)造成的污染。測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和均溫塊構(gòu)成了一套測(cè)量裝置方便攜帶現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，測(cè)量過程中減少了移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偶帶來了的測(cè)量誤差。測(cè)量結(jié)果更為貼近實(shí)際情況，擴(kuò)展不確定度與傳統(tǒng)方法相當(dāng)，更適合用于校準(zhǔn)鎧裝熱電偶的管式爐的溫場(chǎng)測(cè)試。