本文為第二屆《中國計量》中青年優(yōu)秀科技論文獎三等獎獲獎文章之一

吉林省計量科學(xué)研究院　李紅麗  趙春生  孫俊峰  于翠玲  李宗君

　　一、前言

　　高溫電阻爐是一種為化學(xué)反應(yīng)發(fā)生提供恒定溫度以及用于高溫熔解制樣的溫度計量設(shè)備，廣泛應(yīng)用于電力、煤炭、冶金、建材、鋼鐵、化工、醫(yī)藥、科研等行業(yè)，電阻爐控溫的準(zhǔn)確性與企業(yè)的正常生產(chǎn)和檢測機(jī)構(gòu)化驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性密切相關(guān)，同時也是對產(chǎn)品質(zhì)量的保證。對各種類型的電阻爐還要進(jìn)行爐溫均勻性檢測，確定爐膛內(nèi)的有效加熱區(qū)域。因此，定期對高溫電阻爐進(jìn)行校準(zhǔn)，對確保電阻爐爐溫在長期生產(chǎn)過程的準(zhǔn)確性，提高生產(chǎn)效率有著十分重要的作用。目前，國家發(fā)布了JJF1101-2003《環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備溫度、濕度校準(zhǔn)規(guī)范》，但還沒有制定專門針對于高溫電阻爐的校準(zhǔn)規(guī)范。本文將介紹一種高溫電阻爐的校準(zhǔn)方法，并詳細(xì)介紹校準(zhǔn)步驟與校準(zhǔn)過程中的相關(guān)問題。    

　　二、校準(zhǔn)方法

　　高溫電阻爐的工作系統(tǒng)由電阻爐爐體(爐膛內(nèi)嵌電熱絲)、控溫?zé)犭娕?、溫度控制顯示儀表三部分組成。爐體中均勻分布的電阻絲通電后發(fā)熱，配套使用的儀表能自動調(diào)節(jié)加熱功率或占空比，爐體由保溫材料制成，最終可以將爐溫控制在某一設(shè)定溫度處。

　　1.傳統(tǒng)的檢定方法

　　對于高溫電阻爐的校準(zhǔn)，以前都是將控溫?zé)犭娕寂c溫度控制顯示儀表拆下來分別送檢，待送檢合乎要求后再投入使用。這種檢測方法存在以下不足:
　　(1)控溫?zé)犭娕嫉牟迦肷疃纫话悴荒芴珳\，大約為熱電偶保護(hù)管直徑的8～10倍，以保證測溫的準(zhǔn)確性；但也不能太深，以免與裝爐的工件相干擾。因此，儀表控制熱電偶的插入位置一般都在有效加熱區(qū)域邊緣或以外，不能較準(zhǔn)確地反映工件所處有效加熱區(qū)域的溫度。
　　(2)有些電阻爐采用的控溫?zé)犭娕家?guī)格不符合標(biāo)準(zhǔn)，長度很短，不符合檢定規(guī)程的要求，無法在熱電偶檢定爐中進(jìn)行檢定。
　　(3)客戶每次拆下送檢，生產(chǎn)部門需要停爐，會給客戶帶來不便。

　　2.系統(tǒng)整體校準(zhǔn)方法
　　此方法是將電阻爐爐體、控溫?zé)犭娕技翱販仫@示儀表作為一個整體，進(jìn)行整體的現(xiàn)場校準(zhǔn)。根據(jù)日常校準(zhǔn)工作的需要，本校準(zhǔn)方法適用于最高工作溫度為1600℃的高溫電阻爐。
　　(1)校準(zhǔn)項(xiàng)目
　　高溫電阻爐的校準(zhǔn)項(xiàng)目主要包括溫度偏差和溫度均勻度。
　　(2)校準(zhǔn)裝置的組成
　　所使用的標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備有標(biāo)準(zhǔn)熱電偶、標(biāo)準(zhǔn)顯示儀表(直流電壓測量儀器)、數(shù)字溫度計、補(bǔ)償導(dǎo)線和轉(zhuǎn)換開關(guān)。裝置連接示意圖如圖1所示，校準(zhǔn)所用標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備要求如表1所示。    

 圖1  校準(zhǔn)裝置連接示意圖    

表1  校準(zhǔn)所用標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備

　　(3)校準(zhǔn)步驟
　　電阻爐最好在爐膛未裝爐料(空載)的情況下測量，如果有爐料應(yīng)該和客戶交代清楚，使用的標(biāo)準(zhǔn)器必須是經(jīng)過檢定合格的。

　　①標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的安裝
　　在斷電的前提下將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶由測量口插入，把熱電偶測量端放到中心樣品分析位置，將最好地反映爐內(nèi)工作區(qū)域的真實(shí)溫度。將熱電偶的參考端與標(biāo)準(zhǔn)顯示儀表輸入端連接，數(shù)字溫度計放在參考端旁邊，用于得到參考端的補(bǔ)償溫度。在測量口要用石棉堵嚴(yán)，以防漏熱。

　　②測試點(diǎn)的位置
　　測試點(diǎn)的位置應(yīng)分布在電阻爐工作室內(nèi)的3個平面上，稱上、中、下三層，中層為通過工作室?guī)缀沃行钠叫杏诘酌娴墓ぷ髅?，測試點(diǎn)與工作室內(nèi)壁的距離不小于各邊長的1/10，遇風(fēng)道時，此距離可加大，如電阻爐內(nèi)有樣品架或樣品車時，下層測試點(diǎn)可放在樣品架或樣品車上方10mm處。對實(shí)驗(yàn)室用的箱體較小的電阻爐(小于0.2m³)，測試點(diǎn)的位置可適當(dāng)調(diào)整，通常放置在電阻爐的中心位置處，或標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和被校電阻爐熱電偶的測量端。測試布點(diǎn)圖如圖2所示(a為容積小于0.9m³時，b為容積大于0.9m³時)。
    

圖2  測試布點(diǎn)圖

　?、坌?zhǔn)點(diǎn)的選擇
　　一般新購的電阻爐校準(zhǔn)溫度點(diǎn)應(yīng)選擇使用范圍的下限、上限溫度，使用中的可選擇上下限間的任意溫度，也可根據(jù)用戶需要選擇實(shí)際常用的溫度點(diǎn)，從而也方便進(jìn)行溫度均勻度的校準(zhǔn)。

　?、軠囟刃?zhǔn)
　　將被校準(zhǔn)電阻爐的溫控儀設(shè)定到所要求的標(biāo)稱溫度，通常由低溫到高溫，使電阻爐正常工作，穩(wěn)定后開始讀數(shù)，每2min記錄所有測試點(diǎn)的溫度1次，在30min內(nèi)共測試15次。測量得到的數(shù)值進(jìn)行修正后即為實(shí)際溫度，對于體積較小的電阻爐，可只校準(zhǔn)電阻爐的溫度偏差。

　?、輸?shù)據(jù)處理
　　a.溫度偏差的計算
    Δt=t_d-t₀
    式中:Δt——溫度偏差，℃；t_d——被校電阻爐溫控儀顯示(指示)平均溫度，℃；t₀——標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在中心點(diǎn)n次測量的平均值，℃。

　　注:標(biāo)準(zhǔn)熱電偶所測溫度點(diǎn)對應(yīng)的毫伏值為標(biāo)準(zhǔn)顯示儀表顯示毫伏值與數(shù)字溫度計顯示溫度對應(yīng)毫伏值之和，通過查熱電偶分度表可得出標(biāo)準(zhǔn)熱電偶每次所測的溫度值。
    b.溫度均勻度的計算
    每次測量中實(shí)測最高溫度與最低溫度之差的算術(shù)平均值如下:
    
    式中:Δt_u——溫度均勻度，℃；n——測量次數(shù)；t_i——各校準(zhǔn)點(diǎn)在第i次測得的最高溫度，℃；t_i——各校準(zhǔn)點(diǎn)在第i次測得的最低溫度，℃。
    (4)系統(tǒng)校準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)
    ①校準(zhǔn)人員攜標(biāo)準(zhǔn)器現(xiàn)場校準(zhǔn)，避免了用戶拆卸送檢的麻煩。校準(zhǔn)工作在1個工作日內(nèi)完成，節(jié)約了大量的停爐時間。
    ②不管測溫元件或二次儀表示值是否超差，只要整體計量性能滿足用戶要求，就可繼續(xù)使用。與傳統(tǒng)檢定必須滿足檢定規(guī)程要求有本質(zhì)區(qū)別。
    ③測溫元件不管是熱電阻還是熱電偶，也不管標(biāo)準(zhǔn)型號與否，測溫儀表是指針或是數(shù)顯，只要使用范圍在0℃～1600℃以內(nèi)，都可以用此種方法對其溫度示值進(jìn)行校準(zhǔn)。
    ④校準(zhǔn)時，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測量端置于電阻爐內(nèi)樣品分析位置附近，能夠測出樣品區(qū)域的真實(shí)溫度。直接與電阻爐二次儀表顯示值比較，能更合理地評價整個電阻爐的溫度計量性能。
    (5)系統(tǒng)整體校準(zhǔn)過程中應(yīng)注意的問題
    ①標(biāo)準(zhǔn)熱電偶裝爐、接線均在電阻爐斷電情況下進(jìn)行，檢查接線無誤后，方可開啟電阻爐升溫。
    ②標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測量端要置于樣品分析位置附近，但不能觸及樣品或爐內(nèi)壁，以防污染或損壞標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。
    ③溫度達(dá)到控溫點(diǎn)后，為使?fàn)t溫均勻、穩(wěn)定，需控溫30min后再進(jìn)行讀數(shù)。由于電阻爐二次儀表與毫伏表顯示不同步，因此，每個回合讀數(shù)時要讀取毫伏表的最高、最低值，相應(yīng)地讀取二次儀表顯示的最高、最低值。
    ④測量爐溫均勻度必須在空載的情況下，達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)時進(jìn)行。對具有風(fēng)扇的電阻爐，在測量期間風(fēng)扇要正常工作。
    ⑤如果示值誤差偏大，就要檢查爐子工作是否正常。例如，為防止控制儀表熱電偶的不銹鋼保護(hù)管與爐絲短接，在控制儀表熱電偶上又套了一個絕緣瓷管，這樣要剪短絕緣瓷管，以免使控制儀表熱電偶的實(shí)際露出長度短于熱電偶保護(hù)管的8～10倍；爐壁上插控制儀表熱電偶的孔密封要嚴(yán)密，以防附近區(qū)域熱量散失。實(shí)際情況下，采取一定措施可以使示值誤差絕對值較大的爐溫現(xiàn)場校正值減小。
    ⑥校準(zhǔn)結(jié)束后，為避免損壞熱電偶或縮短熱電偶的壽命，不能迅速取出標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，也不能迅速打開爐門，因?yàn)榧崩浼睙釙p壞爐膛。

　　三、結(jié)束語

　　應(yīng)用本校準(zhǔn)方法，對多家技術(shù)中心與企業(yè)化驗(yàn)室的多臺箱式、管式及其他類型的電阻爐進(jìn)行了校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果令用戶滿意。開展控溫電阻爐校準(zhǔn)工作，不但解決了此類溫度計量設(shè)備的溯源問題，保證了溫度計量的量值準(zhǔn)確，也提高了工作效率，滿足了生產(chǎn)需求。