管式爐也稱熱電偶檢定爐，是一種恒溫設備，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各型高溫傳感器，是溫度計量領域中使用非常為廣泛的高溫恒溫熱源。管式爐爐溫溫場性能直接關系到各類高溫傳感器的計量性能，溫度傳感器的準確可靠對于工業(yè)生產(chǎn)和科技研發(fā)至關重要。所以要研究制定負載狀況下管式爐溫度場測試方法以提高管式爐溫度場分布的均勻性。 

 

1 研究背景

          國內(nèi)傳統(tǒng)的管式爐溫度場分布測試方法［3］，是在管式爐空載的情況下，測量其軸向溫度場分布和徑向溫度場分布。這樣的測量方法，只適用于生產(chǎn) 和 銷 售 單 位，用此方法可以得到其溫度場 分 布 情 況，以標明技術指標，它 的 測 量對象側重的是管式爐本體。但在全國各個計量技術機構中，作為使用單位希望管式爐的溫度場測量要服務于對溫度傳感器的測量，開 展 檢定或校準工作時要參考相關溫度傳感器的計量技術法規(guī)［4］，如在校準鎧裝熱電偶或廉金屬熱電偶時，管式爐爐管中應使用均溫塊以提高溫度場性能。然而在國內(nèi)還沒有相關的技術法規(guī)或者 國 家 標 準，也沒有這類測量方法的研究。由于不同國家法律法規(guī)不同，外國的相關研究并不具有參考性。

 

2 研究對象

          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) 溫度場的測試。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，在測量負載狀況下管式爐溫場時，爐管內(nèi)應配置尺寸與之相適應的均溫塊，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，所以參考電測設備的工作環(huán)境，故 環(huán) 境 溫 度 為 ( 23 ± 5) ℃，環(huán)境濕度不大于 80% ＲH［7］。

 

3. 2 測量標準

          設備名稱: 工作用貴金屬熱電偶; 型號規(guī)格: S; 測量范圍: 300 ～ 1 300 ℃ ; 準確度等級: 工作用 1 級; 數(shù)量: 5 支; 其他要求: 檢定或校準后不超過 3 個月，也可使用準確度等級或擴展不確定度不低于它的其他設備。 3. 3 配套設備

( 1) 電測儀器: 準確度等級不低于 0. 02 級;測量范圍一般為 0 ～ 100 mV; 分辨力 0. 1 μV。 ( 2) 轉換開關: 各路寄生電勢及各路寄生電勢之差均不大于 0. 4 μV。 ( 3) 冰點恒溫器: 冰瓶或零度恒溫器。 ( 4) 計時器、直尺或卷尺、定位輔助裝置:滿足測量需求即可。 4 測量方法

 

4. 1 準備工作

          新購置的或長時間未使用過的管式爐應提前進行烘爐處理，可在其溫度范圍上限溫度點保持恒溫 2 h 左右，然后關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，將五支測量標準作編號后套陶瓷保護管插入均溫塊底部，其分布位置如圖 2 所示。用尺測量爐口兩端距離，計算爐中心點，中心點標記為 “0”點; 從此點分別向工作端和參考端每隔 10 mm 作一記號，標出“－ 3 ～ + 3”坐標位置，使用鉛筆在定位桿上作相應記號，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線連接后插入冰點恒溫器內(nèi)，插入深度不小于 150 mm，其接線方式如圖 4 所示。

4. 2 測試溫度點

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

 

          準備工作完成后，將管式爐爐溫恒溫在測試溫度點上，爐溫偏離測試溫度點不超過 ± 5 ℃，恒溫時間 不 低 于 50 min，當達到爐溫變化不超過0. 2 ℃ /min 時 ( 以 S 偶 1 讀數(shù)為依據(jù)) ，即開始測量。 

4. 3 溫場測試

          移動定位桿，將均溫塊在 “－ 3 ～ + 3”坐標位置移動，測量順序為 － 3， － 2， － 1，0，1，2， 3，往返一個循環(huán)。移動到一個位置點后，調(diào)整每個測量標準，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

          將測量讀數(shù)進行記錄，并將測試溫度點坐標位置中各個測量標準的兩次測量循環(huán)讀數(shù)，求其平均值。將平均值和某支測量標準在該測試溫度點的修正值相加。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，各個測量標準與標準 1 的差值中取非常大值作為溫度場的測量結果。

 

6 結論

          對該測量方法進行測量不確定度分析和評定，可以得出測量結果的擴展不確定度 U = 0. 25 ℃， k = 2。該方法與傳統(tǒng)的管式爐溫場測量方法進行比較，使用了更多的工作用貴金屬熱電偶，避免標準熱電偶在測量管式爐溫場造成的污染。測量標準和均溫塊構成了一套測量裝置方便攜帶現(xiàn)場測量，測量過程中減少了移動標準偶帶來了的測量誤差。測量結果更為貼近實際情況，擴展不確定度與傳統(tǒng)方法相當，更適合用于校準鎧裝熱電偶的管式爐的溫場測試。