熱電偶檢定爐應用進(jìn)展

摘要:聚焦于熱電偶檢定爐，調研了相關(guān)的理論技術(shù)進(jìn)展，包括多溫區加熱控溫技術(shù)、短型熱電偶測溫相關(guān)的控制及自動(dòng)化技術(shù)以及爐體工藝進(jìn)展，進(jìn)一步聚焦國內外研究領(lǐng)域及產(chǎn)品市場(chǎng)，介紹了整機及典型主流產(chǎn)品的應用進(jìn)展情況。最后，結合綜述情況給出了熱電偶檢定爐發(fā)展展望，指出熱電偶檢定爐發(fā)展應從理論、系統化設備、自動(dòng)化程序進(jìn)行多角度、系統性的規劃和架構，以提升裝置自動(dòng)化、智能化為核心，助力熱電偶計量檢定效率升級。
0引言
　　開(kāi)展熱電偶檢定工作需要用到電測儀表、熱電偶檢定爐、退火爐和其他配套設備，其中電測儀表具有一定的通用性，而熱電偶檢定爐則為最重要的專(zhuān)用設備，其技術(shù)發(fā)展對熱電偶的檢定和使用極為重要。當前采用熱電偶檢定爐開(kāi)展檢定工作，依然存在耗時(shí)長(cháng)，工作繁瑣等問(wèn)題。
　　熱電偶檢定裝置總體在往自動(dòng)方向發(fā)展，檢定效率持續提升。自動(dòng)恒溫、自動(dòng)記錄及生成符合國家計量檢定規程要求的檢定記錄及檢定證書(shū)成為了極具吸引力的重要功能。結合計算機數據處理快及準確的優(yōu)點(diǎn)，集成微機系統的智能化熱電偶檢定裝置，其應用大大降低了檢定員的勞動(dòng)強度，同時(shí)提升了數據處理的可靠性。
　　聚焦于熱電偶檢定爐領(lǐng)域，調研了相關(guān)的理論技術(shù)進(jìn)展以及行業(yè)產(chǎn)品進(jìn)展，從這兩個(gè)層面進(jìn)行了綜述。
1熱電偶檢定爐理論技術(shù)進(jìn)展
1.1多溫區加熱控溫技術(shù)
　　在附帶風(fēng)冷降溫功能的管式熱電偶檢定爐研制中，采用了多溫區技術(shù)，最終獲得了長(cháng)度為100mm的溫場(chǎng)，均勻度達到0.165℃。針對傳統的管式熱電偶檢定爐溫場(chǎng)的不同溫度下溫場(chǎng)指標表現不一致且無(wú)法調節,測試結果不確定度偏大的固有問(wèn)題，通過(guò)改造管式電阻爐的控溫方式，即通過(guò)三段控溫的方法降低了校準時(shí)的測量不確定度。上述工作的測試結果驗證了三段控溫的可行性,獲取了滿(mǎn)意的測試結果。
　　在多溫區技術(shù)方面，提出一種物理分區加熱方案B，加熱區分三段并獨立控制，解決峰值電流過(guò)大，且獲取了更長(cháng)的中心均溫區，且通過(guò)不同加熱模式實(shí)現了多種工作模式(長(cháng)爐、短爐及退火爐)。提出一種方案分時(shí)間專(zhuān)利技術(shù)4，將加熱過(guò)程分成3個(gè)時(shí)間階段，通過(guò)分時(shí)加熱這種加熱絲的重新串聯(lián)配置方法，解決.峰值電流過(guò)大的問(wèn)題。
1.2短型熱電偶相關(guān)
　　現行的熱電偶檢定爐溫度場(chǎng)測試技術(shù)規范是JJF1184-2007《熱電偶檢定爐溫度場(chǎng)測試技術(shù)規范》5，該規范為(300~1500)℃范圍內包括帶控溫器和不帶控溫器的臥式管式檢定爐溫度場(chǎng)的測試提供了依據，也為立式管式檢定爐、退火爐的測試提供了標準，規范中明確區分了檢定爐和短爐。
　　傳統的測量設備和測量方法在高溫區往往無(wú)法準確測量短型熱電偶的示值偏差。通過(guò)實(shí)驗找到其測不準的原因，設計研發(fā)接線(xiàn)端恒溫器，在一定程度上減小不.確定度，同時(shí)也驗證了采用接線(xiàn)端恒溫器的新的校準方法校準短型偶更為準確。探討了基于CST4001全自動(dòng)溫度檢定系統的短型廉金屬熱電偶的校準方法，進(jìn)行了校準的不確定度來(lái)源分析和評定。介紹了一種短型熱電偶校準裝置，闡述了該系統的工作原理和結構組成，并通過(guò)試驗的方法對熱電偶傳感器特性進(jìn)行校準研究，實(shí)現了對短型熱電偶溫度特性進(jìn)行準確評價(jià)，還有對熱電偶引線(xiàn)直徑與測溫偏移開(kāi)展了研究。介紹了不同直徑熱電偶在210多個(gè)小時(shí)高溫下測試的電壓輸出變化，建立了電壓漂移水平與熱電偶引線(xiàn)直徑之間的關(guān)系，并創(chuàng )建漂移函數，表達了漂移率和熱電偶引線(xiàn)直徑之間的依賴(lài)性。
1.3控制及自動(dòng)化
　　發(fā)展了熱電偶自動(dòng)檢定系統，其通過(guò)編寫(xiě)自動(dòng)檢定軟件完成整個(gè)系統的調試工作，并將該方法在計量測試技術(shù)研究院的工作用廉金屬熱電偶校準裝置上試驗，獲得了穩定的運行效果。針對熱電偶檢定耗時(shí)的問(wèn)題，利用繼電器切換開(kāi)關(guān)代替機械運動(dòng)型切換開(kāi)關(guān)，縮短數據采集時(shí)間;開(kāi)發(fā)系統軟件，實(shí)測結果表明，系統自動(dòng)工作獲取的數據,擴展不確定度的最大值為0.64℃.(最大允許誤差的2/3),熱電偶自動(dòng)檢定系統測量精度滿(mǎn)足要求，達到了熱電偶自動(dòng)檢定目的。為了提高熱電偶檢定爐溫度的控制性能，研究了檢定爐模型的在線(xiàn)辨識方法和控制器參數的自整定方法，設計了檢定爐溫度智能控制系統，其試驗結果表明基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的控制器在200℃~1200℃之間對檢定爐溫度控制的性能指標優(yōu)越于傳統PID控制器昌。利用計算機技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和數字化技術(shù)相結合的新型熱電偶自動(dòng)檢測模式，給出了多參數數據采集、數據修正、數據存儲和報告判定的總體構架，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了熱電偶自動(dòng)檢定系統,經(jīng)實(shí)際運行，系統運行穩定，操作便捷，可以滿(mǎn)足熱電偶計量器具檢測工作需求。
　　針對檢定接線(xiàn)復雜，傳統PID控制器在工作環(huán)境變化時(shí)調節時(shí)間與精度較差的問(wèn)題，設計了結合模糊算法與傳統PID算法的模糊PID控制器，獲得了響應特性?xún)?yōu)于傳統的PID控制器，穩態(tài)精度更高，超調量更小的爐溫度控制系統。針對熱電偶檢定工作人力投人大及人為因素帶來(lái)不確定度等問(wèn)題，基于圖像化編程語(yǔ)言L(fǎng)abVIEW和計算機控制技術(shù)，使用LabVIEW開(kāi)發(fā)了上位機軟件，系統具有檢定時(shí)間快，控溫精度高的優(yōu)勢。工作用廉金屬熱電偶檢定規程所確定的檢定原理和計算方法出發(fā)，結合標準熱電偶熱電動(dòng)勢的計算方法,設計出一套軟件，可根據標準熱電偶證書(shū)值和被檢熱電偶待檢溫度點(diǎn)、熱電動(dòng)勢實(shí)測值，自動(dòng)計算被檢高溫熱電偶在(300~1100)℃全量程范圍內的溫度偏差并判斷檢定結論。根據熱電偶檢定爐溫度控制過(guò)程的特點(diǎn)和要求，構建了以AT89C52單片機為檢測控制中心的智能控制系統，由單片機、熱電偶、AD轉換芯片、SCR模塊等構成，通過(guò)軟件編程實(shí)現正確控制，具有線(xiàn)路簡(jiǎn)單，精度高，響應快，顯示直觀(guān)，使用方便等特點(diǎn)。針對傳統熱電偶檢定軟件修改和升級比較麻煩的問(wèn)題，提出了一種基于組件式設計思路的檢定軟件方案，經(jīng)現場(chǎng)測試，可自動(dòng)完成熱電偶的檢定工作。組件式的設計及開(kāi)發(fā)思路給軟件的編制、修改和升級帶來(lái)了方便,具有借鑒意義。
1.4爐體工藝技術(shù)
　　強化熱輻射技術(shù):為降低能耗，減少大氣環(huán)境的污染，采用黑體技術(shù)對加熱爐進(jìn)行了強化熱輻射技術(shù)改造。雖然不是在檢定爐領(lǐng)域內的工作，但由于加熱原理的相同性，工藝改進(jìn)值得進(jìn)行學(xué)習。該工作通過(guò)熱輻射材料進(jìn)行強化處理爐膛內襯，調節爐襯輻射方向,增加傳熱面積，減少熱損失，達到強化傳熱效果，最終爐溫均勻性和穩定性得到提高，在加熱量基本相同的情況下，能耗明顯降低。
　　高溫漏電問(wèn)題的解決:熱電偶檢定爐在高溫條件下漏電現象幾乎是一個(gè)行業(yè)通行問(wèn)題，市售大量產(chǎn)品存在此缺陷。檢定爐在檢定1000℃以上的溫度點(diǎn)時(shí)，隨著(zhù)溫度的升高，材料中的自由電子運動(dòng)能力增強。高溫會(huì )導致?tīng)t管材料的絕緣強度下降。由于在熱電偶檢定過(guò)程中，需要人工對檢定爐的熱電偶位置進(jìn)行更換，漏電問(wèn)題不僅會(huì )影響加熱功率的穩定性，導致測量值發(fā)生波動(dòng)從而影響測量結果，還會(huì )導致檢定爐發(fā)生漏電等問(wèn)題，嚴重威脅操作人員的生命健康安全0。經(jīng)分析，剛玉管高溫漏電會(huì )在被檢偶和標準偶上產(chǎn)生很強的共模電壓，如果測量表隔離強度不夠，會(huì )造成測量值波動(dòng)大的問(wèn)題，從FLUKE9118A121公開(kāi)的資料看，尚未解決這個(gè)問(wèn)題。
　　均熱塊:針對傳統單溫區檢定爐溫場(chǎng)指標不佳，檢定爐滿(mǎn)載時(shí)溫場(chǎng)的技術(shù)指標不符合要求，以及檢測時(shí)管式爐溫場(chǎng)的波動(dòng)大的問(wèn)題，設計了杯式高溫合金均溫塊與管式爐配套使用，提高了溫場(chǎng)的技術(shù)指標，減小了溫場(chǎng)的波動(dòng)，可滿(mǎn)足不同直徑熱電偶的檢測。實(shí)測顯示:放置杯式均溫塊的技術(shù)指標比未放置杯式均溫塊的提高了很多。
1.5其它理論技術(shù)工作進(jìn)展
　　發(fā)現現有的管式爐溫場(chǎng)指標在空載時(shí)測試可以達到標準，但在放置被校準鎧裝偶(即滿(mǎn)載)時(shí)，溫場(chǎng)均.勻度不能達到標準。其測試顯示在管式爐內放置均溫塊可以達到改善溫場(chǎng)的效果，這種方法既簡(jiǎn)便又節省了更換校準設備的投資，對推動(dòng)國內校準部門(mén)改進(jìn)鎧裝熱電偶校準裝置有借鑒意義。針對熱電偶檢定效率低下的現狀問(wèn)題，通過(guò)分析熱電偶檢定整個(gè)工作流程現狀，制定了基于實(shí)際需求的高效檢定流程，達到了提高熱電偶檢定效率的目的。
熱電偶檢定爐設備進(jìn)展
2.1國外進(jìn)展情況
　　國外的熱電偶檢定爐起步早，積累了一定優(yōu)勢，在國際市場(chǎng)上占據了高端產(chǎn)品市場(chǎng)的大部分份額。熱電偶檢定爐內置了溫度控制器，不需要使用外置溫控裝置和電腦就可以實(shí)現標準的溫度源。爐內采用雙區的溫度控制，以實(shí)現溫度均勻性和迅速的加熱速率。其加熱器內嵌于耐火的陶瓷纖維材料中，形成了一套兩件式的加熱組件。
2.2國內進(jìn)展情況
　　國內的熱電偶檢定爐起步比較早，但是直到近幾年才有快速發(fā)展，部分產(chǎn)品達到了國際領(lǐng)先水平。針對行業(yè)普遍存在的高溫漏電問(wèn)題,ConST683A采用特殊結構設計，避免了高溫漏電的安全隱患。該產(chǎn)品的推出打破了國外品牌對高端市場(chǎng)的壟斷地位，通過(guò)下文的參數對比表，結合ConST683A型本身的智能自動(dòng)化操控系統，可認為其代表了國內和國際熱電偶檢定爐的最高水準。
熱電偶檢定爐發(fā)展展望
　　針對熱電偶檢定，及關(guān)鍵設備熱電偶檢定爐進(jìn)行了調研，分析整理了相關(guān)理論、工藝技術(shù)進(jìn)展情況，以及整機及市場(chǎng)產(chǎn)品進(jìn)展兩個(gè)層面進(jìn)行了綜述。結合綜述情況，對熱電偶檢定爐發(fā)展展望如下:
1)理論技術(shù)層面，在發(fā)展最為活躍，但是工作分散度高，且存在大量相似重復的工作，系統的規律性總結較少見(jiàn)，不利于形成行業(yè)理論共識，需要更多的系統性.研究論文進(jìn)行支撐。
2)檢定爐產(chǎn)品領(lǐng)域，近年上市的產(chǎn)品數量眾多,而具有顯著(zhù)產(chǎn)品則較為少見(jiàn)。
3)熱電偶的檢定工作繁瑣，其操作執行耗時(shí)耗力,始終是領(lǐng)域工作的一大痛點(diǎn)。發(fā)展應從理論、系統化設備、自動(dòng)化程序多角度、系統性地規劃和架構,推進(jìn)行業(yè)進(jìn)展，實(shí)現熱電偶檢定的全流程自動(dòng)智能化，助力制造業(yè)效率升級。