工業(yè)熱電偶檢定用管式爐爐溫溫場(chǎng)的微機(jī)測(cè)試

摘要:論述了工業(yè)熱電偶檢定用管式爐爐溫溫場(chǎng)的微機(jī)測(cè)試方法,探討了測(cè)試中所涉及的一些方法與技術(shù),，比較了幾種測(cè)試手段的優(yōu)劣,提出了一種可行的測(cè)試方法,。
0前言
       在檢定熱電偶的工作過程中,管式檢定爐設(shè)備之一,。檢定爐合格與否,直接關(guān)系到熱電偶的檢定精度,。根據(jù)《中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG351-96》的規(guī)定,管式爐的長(zhǎng)度為600mm,管內(nèi)徑為40nm,常用最高溫度為1200℃高均勻溫場(chǎng)中心與爐子幾何中心的偏差不大于10nm,在長(zhǎng)度不小于60nm、半徑為40nm的圓柱體形均勻溫場(chǎng)中,任意兩點(diǎn)間的溫差不大于1℃.
目前還沒有一種成熟的、公認(rèn)的,、規(guī)范的方法來對(duì)管式檢定爐溫場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試,所以,溫場(chǎng)測(cè)試情況在方法上,、測(cè)試設(shè)備上及對(duì)規(guī)程技術(shù)要求的理解上都存在很大差異,從而造成了規(guī)程執(zhí)行上的混亂和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)化的困難。因此,探討一種切實(shí)可行的,、合理的測(cè)試方法是很急迫的,。.
1測(cè)試方法
       根據(jù)檢測(cè)手段的不同,可將管式爐溫場(chǎng)的測(cè)試方式分為兩大類:一種是手工測(cè)試(如圖1所示),另一種是微機(jī)測(cè)試(如圖2所示)。在手工測(cè)試中,溫度的測(cè)量是用數(shù)字電壓表測(cè)熱電偶電勢(shì),再換算成溫度,數(shù)據(jù)一般由人工記錄,數(shù)據(jù)處理大多也是人工進(jìn)行,。


       人工測(cè)試方法存在工作量大,、人為因素不可避免的缺點(diǎn),而這些問題都可在微機(jī)測(cè)試方法中得到解決。在微機(jī)測(cè)試時(shí),熱電偶電勢(shì)測(cè)量過程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,溫場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析工作也可通過編程由微機(jī)完成,。但是,測(cè)量熱電偶測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)還得由人工完成,。也就是說,尚未實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。.
       利用微機(jī)進(jìn)行溫場(chǎng)測(cè)試及數(shù)據(jù)處理更要求有細(xì)致,、標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法和操作步驟,所以一套完整的測(cè)試方案是實(shí)現(xiàn)微機(jī)測(cè)試溫場(chǎng)的前提,。
為了設(shè)計(jì)出一套完整的微機(jī)測(cè)試溫場(chǎng)的方案,我們考慮了以下幾個(gè)方面的問題,并逐一進(jìn)行了研究。
1.1定位塊選用
       定位塊主要用于熱電偶定位,其材料為耐火材料,。規(guī)程附錄中規(guī)定選用兩塊形狀不同的定位塊(如圖3所示),其中一塊為兩孔的,另一塊為三孔的,。但實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),用這樣的定位塊易造成定位不準(zhǔn)的結(jié)果。因?yàn)?使用形狀不同的兩塊定位塊進(jìn)行溫場(chǎng)測(cè)量的過程中,測(cè)量熱電偶通過三孔定位塊固定,其工作端懸于爐體內(nèi),這就是所謂的懸臂梁式的測(cè)量方式,。這樣做,熱電偶的工作端容易下垂,、上翹、偏左或偏右,造成實(shí)際測(cè)溫點(diǎn)與期望測(cè)溫點(diǎn)不符,。實(shí)驗(yàn)證明,使用這種方法,兩次測(cè)試結(jié)果相差較大,也就是復(fù)現(xiàn)性差,測(cè)試結(jié)果可信度低,。

1.2套管
考慮到使用套管將影響管式檢定爐爐內(nèi)的溫度分布,有人建議不使用套管。但是,不使用套管難以實(shí)現(xiàn)熱電偶的定點(diǎn)測(cè)量,而利用套管,可將熱電偶沿軸向移動(dòng)的軌道固定,易于操作,定位正確,。另外,套管材料也需考慮,應(yīng)以影響爐內(nèi)溫場(chǎng)最小為.前提,。
1.3最高均勻溫場(chǎng)中心
對(duì)于“最高均勻溫場(chǎng)中心”的涵義,有兩種理解。一種認(rèn)為最高均勻溫場(chǎng)中心就是溫場(chǎng)中最高溫度點(diǎn),可先確定最高溫度點(diǎn),再確定以此點(diǎn)為中心的溫場(chǎng)是否均勻;另一種認(rèn)為最高均勻溫場(chǎng)中心是均勻溫場(chǎng)的幾何中心,即先確定均勻溫場(chǎng)的大小,，再確定溫場(chǎng)中心所在,。
1.4溫場(chǎng)測(cè)點(diǎn)選擇
規(guī)程附錄中規(guī)定,在檢定爐的軸向共選取7個(gè)測(cè)點(diǎn)來確定溫場(chǎng)。顯然僅選取7個(gè)測(cè)點(diǎn)是不足以判斷所有的合格溫場(chǎng)情況,。
1.5溫場(chǎng)測(cè)量值的計(jì)算
計(jì)算溫場(chǎng)測(cè)量值時(shí),一般是將各測(cè)點(diǎn)的熱電偶電勢(shì)轉(zhuǎn)化為溫度值,再進(jìn)行分析處理,。但也有先計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)溫度與控溫?zé)犭娕继幍臏囟鹊牟钪?再對(duì)這些差值進(jìn)行分析處理的做法。
1.6測(cè)量順序
       理論上應(yīng)同時(shí)測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的溫差,但實(shí)際操作上難以實(shí)現(xiàn),只能分別測(cè)量,因此,就存在測(cè)量順序的選擇問題,。
1.7保溫時(shí)間
       保溫時(shí)間是指從爐溫升至1000℃到開始測(cè)量數(shù)據(jù)之間所等待的時(shí)間,。我們將其分為長(zhǎng)時(shí)與短時(shí)兩種。長(zhǎng)時(shí)等待2個(gè)小時(shí);短時(shí)等待半個(gè)小時(shí),。保溫時(shí)間的長(zhǎng)短變化顯然對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大影響,。
1.8測(cè)點(diǎn)變化后的測(cè)量條件
       每次移動(dòng)測(cè)點(diǎn)后,因?yàn)榇嬖跍y(cè)量偶和工作偶的熱平衡動(dòng)態(tài)過程,所以不應(yīng)馬上記錄數(shù)據(jù),。
2定位塊
       在實(shí)際操作中,我們選用兩塊形狀相同的定位塊(如圖4所示),而不選用兩塊形狀不同的定位塊,這是因?yàn)?采用形狀相同的定位塊,熱電偶的套管的一端固定于一個(gè)定位塊上,另一端固定于另一個(gè)定位塊上。這樣熱電偶插入套管中,就不會(huì)發(fā)生徑向偏差了,。

3.套管
       對(duì)于套管,應(yīng)盡量選取對(duì)管式檢定爐爐內(nèi)的溫度分布影響小的套管,。比較石英套管、剛玉管和陶瓷管,后兩種套管的管壁厚,、熱慣性大,有均熱作用,熱電偶插入這些套管中,實(shí)際測(cè)得的溫度與真實(shí)溫度有較大的偏差,。石英管管壁薄、熱慣性小,對(duì)管式檢定爐爐內(nèi)的溫度分布影響較小,，可真實(shí)地反映實(shí)際溫度,。綜合考慮,我們選擇使用石英套管。
4最高均勻溫場(chǎng)中心的定義
       根據(jù)規(guī)程規(guī)定,最高均勻溫場(chǎng)中心與爐子幾何中心沿軸線上偏離不大于10nm,。我們認(rèn)為“最高均勻溫場(chǎng)中心”是指“均勻溫場(chǎng)的幾何中心”,，而不是溫場(chǎng)中的“最高溫度點(diǎn)”。如圖5所示,5(a)中最高溫度點(diǎn)與均勻溫場(chǎng)的中心是重合的;5(6)所示的一段溫場(chǎng)的溫度分布為馬鞍形,其最高均勻溫場(chǎng)中心在B點(diǎn),而最高溫度點(diǎn)在A1或A2點(diǎn),。正確理解最高均勻溫場(chǎng)的定義,將是正確判斷管式檢定爐溫場(chǎng)合格與否的關(guān)鍵,。

5測(cè)點(diǎn)選擇
        如圖6所示,在徑向選取5個(gè)測(cè)點(diǎn),在軸向選取9個(gè)測(cè)點(diǎn),即共選取5X9=45個(gè)點(diǎn)作為測(cè)溫點(diǎn)。具體選取辦法如下:將制作好的定位塊裝入管式爐兩端,使其與爐端貼緊,并安裝好兩個(gè)石英套管,。測(cè)量爐體長(zhǎng)度(將定位塊的凸出部分也計(jì)算在內(nèi)),計(jì)算出其中點(diǎn)處,。將兩支二等熱電偶插入石英套管中,使其測(cè)量端處于爐軸線中點(diǎn)截面處。將中心孔處的熱電偶作為控溫?zé)犭娕?另一孔處的熱電偶作為測(cè)溫?zé)犭娕?。在?biāo)準(zhǔn)熱電偶絕緣管與定位塊外端面相交點(diǎn),用陶瓷鉛筆做一記號(hào),作為坐標(biāo)“0'點(diǎn),從此點(diǎn)分別向工作端和參考端每隔10nm做一記號(hào),標(biāo)上+4~-4坐標(biāo),。軸向共9個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)量時(shí)只要移動(dòng)測(cè)溫?zé)犭娕?使其分別處于.4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4處即可;徑向共5個(gè)測(cè)點(diǎn),即上下左右中5點(diǎn),測(cè)量時(shí)只要轉(zhuǎn)動(dòng)定位塊,使測(cè)溫?zé)犭娕挤謩e處于各個(gè)不同的徑向位置。測(cè)出的溫度數(shù)據(jù)可用矩陣表示:

        其中,θ,為各測(cè)溫點(diǎn)測(cè)得的溫度,行下標(biāo)表示徑向位置,列下標(biāo)表示軸向位置,。

       規(guī)程規(guī)定,在檢定爐的軸向選取7個(gè)測(cè)點(diǎn),即,。3~+3,與此同時(shí),又規(guī)定,最高均勻溫場(chǎng)中心與爐子幾何中心沿軸線上偏離不大于10nm,長(zhǎng)度不小于60nm,由此推算出最偏離爐子幾何中心的合格溫場(chǎng)處于。4~+3或_3~+4之間,。若只選取7個(gè)測(cè)點(diǎn),就不能包含這兩種情況,。
6溫場(chǎng)測(cè)量值的計(jì)算
       理論上溫場(chǎng)測(cè)量時(shí),記錄的數(shù)據(jù)應(yīng)為測(cè)點(diǎn)的實(shí)際溫度。但實(shí)際上,爐溫的保持是通過控溫?zé)犭娕嫉姆答?由調(diào)節(jié)器不斷調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的,因此溫度值是不斷波動(dòng)的,。由于θ為時(shí)間t的函數(shù),各點(diǎn)溫度并不是同時(shí)測(cè)得的,而有時(shí)間上的先后順序,所以直接測(cè)得的測(cè)點(diǎn)溫度,不能真實(shí)反映溫場(chǎng)分布,。而用測(cè)點(diǎn)溫度與控溫?zé)犭娕妓鶞y(cè)溫度之間的差值來反映溫場(chǎng)可以消除溫度控制造成的波動(dòng)的影響。設(shè)

       可見,，采用溫差可消除測(cè)量時(shí)間先后所帶來的誤差,。同時(shí),由于各測(cè)點(diǎn)處所測(cè)得溫差的基準(zhǔn)點(diǎn)相同,所以在各測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的溫差之間的差值等價(jià)于各測(cè)點(diǎn)處的溫度之間的差值。
7測(cè)量順序
測(cè)量順序分兩種:
(1)先軸向后徑向;
a保持熱電偶徑向位置不動(dòng),將其軸向移動(dòng),測(cè)完軸向9個(gè)測(cè)點(diǎn);
b.將熱電偶徑向移動(dòng)一位,重復(fù)a;
c重復(fù)b,直至測(cè)完徑向5個(gè)測(cè)點(diǎn),。
采取該種測(cè)量順序的測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示(恒溫時(shí)間為長(zhǎng)時(shí),測(cè)試共耗時(shí)320分鐘),其溫場(chǎng)分布曲線如圖7所示。

(2)先徑向后軸向
a保持熱電偶軸向位置不動(dòng),將其徑向移動(dòng),測(cè)完徑向5個(gè)測(cè)點(diǎn);
b.將熱電偶軸向移動(dòng)一位,重復(fù)a;
c重復(fù)b,直至測(cè)完軸向9個(gè)測(cè)點(diǎn),。
       采取該種測(cè)量順序的測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示(保溫時(shí)間為長(zhǎng)時(shí),測(cè)試共耗時(shí)372分鐘),其溫場(chǎng)分布曲線如圖8所示,。
       分析以上兩組數(shù)據(jù)可知,兩者的結(jié)論相同,均勻溫場(chǎng)長(zhǎng)度都為70nm,均勻溫場(chǎng)幾何中心偏離,爐子幾何中心5.0nm,且兩者反映的爐子特性也基本--致,。由此可見，測(cè)量順序的不同對(duì)測(cè)試結(jié)果并無(wú)太大影響,。先徑向后軸向的方法在操作上比先軸向后徑向的方法繁瑣,并且耗時(shí)長(zhǎng),在測(cè)得的數(shù)據(jù)上也比較分散一些,因此不宜推薦,。

8保溫時(shí)間
        從爐溫升至1000℃起至開始測(cè)量的時(shí)間稱為保溫時(shí)間。按保溫時(shí)間長(zhǎng)短可分為兩類:
(1)短時(shí)保溫
       從加熱爐子到開始測(cè)量,其間等待1個(gè)小時(shí),。由于爐子從室溫升至1000℃左右,，大約需要30分鐘,所以保溫時(shí)間為30分鐘左右。
       采取短時(shí)保溫的測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示(采用先軸向后徑向的測(cè)試順序,整個(gè)測(cè)試過程耗時(shí)194分鐘),其溫場(chǎng)分布曲線如圖9所示,。


(2)長(zhǎng)時(shí)保溫
       從開始加熱爐子到開始測(cè)量,其間約等待3個(gè)小時(shí),。恒溫時(shí)間2個(gè)小時(shí)左右。
       采取:長(zhǎng)時(shí)保溫的測(cè)量數(shù)據(jù)如表4所示(采用先軸向后徑向的測(cè)試順序,整個(gè)測(cè)試過程耗時(shí)194分鐘),其溫場(chǎng)分布曲線如圖10所示,。

       分析以上兩組數(shù)據(jù)可知,短時(shí)保溫測(cè)得的均勻溫場(chǎng)長(zhǎng)度僅為40nm,均勻溫場(chǎng)幾何中心偏離爐子幾何中心10nm,爐子不合格;長(zhǎng)時(shí)恒溫測(cè)得的均勻溫場(chǎng)長(zhǎng)度為70nm,均勻溫場(chǎng)幾何中心偏離爐子機(jī)械中心Smm,爐子合格,。之所以會(huì)出現(xiàn)截然不同的結(jié)果,是因?yàn)樵诒貢r(shí)間不夠的情況下，爐溫尚不穩(wěn)定,且分布不均勻,造成測(cè)試結(jié)果不正確,?？梢姡貢r(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)測(cè)試結(jié)果的正確性有著至關(guān)重要的影響,。
9測(cè)點(diǎn)變化后的測(cè)量條件
       每次移動(dòng)測(cè)點(diǎn)后,不能馬上記錄數(shù)據(jù),要等到測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)得的溫度與控溫?zé)犭娕紲y(cè)得的溫度同向變化,且它們的變化率不大于0.2℃/分時(shí),才可記錄數(shù)據(jù),。其理由如下:
轉(zhuǎn)移測(cè)點(diǎn)后,熱電偶插入爐子內(nèi)部的長(zhǎng)度和位置都會(huì)發(fā)生變化,它會(huì)吸收或放出一部分熱量,以達(dá)到新的熱平衡,這樣會(huì)引起測(cè)點(diǎn)溫度的變化。測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)得的溫度的變化反映了該過程,。而如前所述,爐溫并非恒定不變,而是不斷波動(dòng)的.測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)得的溫度的變化反映了這一波動(dòng),。只有兩者同向變化,才能說明測(cè)點(diǎn)周圍已經(jīng)達(dá)到了新的熱平衡,此時(shí)測(cè)點(diǎn)溫度為爐子在該點(diǎn)的真實(shí)溫度。同時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn),變化率不大于0.2℃/分時(shí),測(cè)得的數(shù)據(jù)才較為正確,。
10微機(jī)測(cè)試方法中所涉及的其它一些問題
10.1參考點(diǎn)的轉(zhuǎn)換
       在我們的溫場(chǎng)測(cè)試方案中,測(cè)溫偶與控溫偶可相互轉(zhuǎn)換,當(dāng)測(cè)上下左右軸線上的溫度點(diǎn)時(shí),中心軸線上的熱電偶為控溫偶,非中心軸線上的熱電偶為測(cè)溫偶;當(dāng)測(cè)中心軸線上的溫度點(diǎn)時(shí),非中心軸線上的熱電偶為控溫偶,中心軸線上的熱電偶為測(cè)溫偶,。因此,就存在一個(gè)參考坐標(biāo)變換的問題。具體分析如下:
(1)當(dāng)測(cè)非中心軸線溫度點(diǎn)時(shí),中心軸線上熱電偶工作端在中心軸線上的中心位置,其測(cè)量值
       表示為Ao;非中心軸線上熱電偶工作端在其軸線上的某一位置處,其測(cè)量值表示為θ,其中l(wèi)表示徑向位置,j表示軸向位置,。則溫差表示為



10.2溫場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析
       溫場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析工作可通過編程由微機(jī)完成,圖11是軟件流程圖(其中1表示均勻溫場(chǎng)長(zhǎng)度,h表示最高均勻溫場(chǎng)中心與爐子幾何中心的偏差),。
11結(jié)論
根據(jù)以上的研究工作,可提出一套工業(yè)熱電偶檢定用管式爐爐溫溫玚微機(jī)測(cè)試的可行性方案:
1.使用兩塊形狀相同的兩孔定位塊;
2.使用石英套管;
3.選取9個(gè)軸向及5個(gè)徑向,共45個(gè)測(cè)點(diǎn);
4.采用先軸向后徑向的測(cè)量順序;
5.采用長(zhǎng)時(shí)保溫時(shí)間;.
6.測(cè)點(diǎn)變化后,應(yīng)等待測(cè)溫偶與控溫偶所測(cè)溫度同向變化,且它們的溫變率都不大于0.2℃/分。