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熱處理爐用熱電偶測溫精度分析及改進
發布時間：2017-09-01
引 言
隨著科技的發展, 自動化水平不斷提高, 熱處理行業對測溫精度的要求越來越高, 尤其是“熱處理爐有效加熱區測定方法”中, 對Ⅰ類爐的保溫精度要求高達±3℃[1]。為了確保溫度量值的準確可靠, 對新制或使用中熱電偶進行定期或不定期檢定是十分必要的。當前,國內僅有熱電偶、補償導線及儀表各自的檢定規程, 但沒有熱電偶高溫計等測溫系統的檢定規程。因此, 對于測溫系統的檢定, 只能采用分立元件法, 即對構成測溫系統的元件及儀表分別進行檢定。此種檢定方法是離線的, 不能對測溫系統進行在線整體檢定。對于廣泛應用的各種熱電偶數字溫度計的檢定, 尚無國家標準。本文將對熱處理爐用熱電偶測溫精度進行分析, 并提出相應的解決辦法供應用參考。
1 測溫系統的分立元件檢定法
關于測溫系統的檢定方法, 目前有兩種方式: 分立元件檢定法和整體校準法。依據國家標準, 對熱電偶的檢定, 應在計量室進行。因此, 使用中的熱電偶必須從安裝位置取下來, 送計量部門檢定。有關熱電偶的檢定周期, 一般為半年, 在特殊情況下, 可依據使用條件確定。這種離線式檢定方法存在的問題是: 經過計量室檢定合格的產品, 在現場使用條件下不一定是合格的。這種現象鮮為人知, 未引起人們的重視。究其原因:
1.1 熱電偶絲不均質影響
(1)熱電偶材質本身不均質。熱電偶在計量室檢定時, 按規程要求, 插入檢定爐內的深度只有300 mm。因此每支熱電偶的檢定結果, 確切的說只能體現或主要體現出從測量端開始300 mm長偶絲的熱電行為, 然而, 當熱電偶的長度較長, 使用時大部分偶絲處于高溫區, 如果熱電偶絲是均質的, 那么依據均質回路定則,測量結果與長度無關。可是熱電偶絲并非均質, 尤其是廉價金屬熱電偶絲其均質性較差, 這樣不均質的熱電偶絲又處于具有溫度梯度的場合, 那么其局部將產生熱電動勢, 該電動勢稱為寄生電動勢, 由寄生電動勢引起的誤差稱為不均質誤差。
(2)熱電偶絲經使用后產生的不均質。對于新制的熱電偶即使是均質的, 經反復加工、彎曲致使熱電偶產生加工畸變, 也將失去均質性, 而且使用中熱電偶長期處于高溫下, 也會因偶絲的變化引起熱電動勢變化。例如: 插入熱處理爐中的熱電偶, 將沿偶絲長度方向產生劣化, 并隨溫度升高, 劣化增大, 當劣化的部分處于具有溫度梯度的場所, 也將產生寄生電動勢疊加在總電動勢中而出現測量誤差。
1.2 鎧裝熱電偶的分流誤差
(1)分流誤差。所謂分流誤差即用鎧裝熱電偶測量爐溫時, 當熱電偶中間部分的溫度有超過800℃的溫度分布存在時, 因其絕緣電阻下降, 熱電偶示值出現異常的現象, 稱為分流誤差。依據均質回路定則, 用熱電偶測溫只與測量端與參考端溫度有關, 與中間溫度分布無關。可是由于鎧裝熱電偶的絕緣物是粉末狀態的MgO, 溫度每升高100℃, 其絕緣電阻下降一個數量級,當中間部位溫度較高時, 必定有漏電流產生, 致使熱電偶產生分流誤差。
(2)分流誤差產生的條件。將直徑!)4.8 mm, 長度25 m的鎧裝熱電偶水平插入爐內, 中間部位加熱帶的長度為20 m, 溫度為1 000℃。實驗結果是, 如果測量端溫度高于中間部位溫度, 則產生負誤差; 相反則產生正誤差。如果測量端與中間部位的溫差為200℃, 那么產生的分流誤差約為100℃。如此大的誤差是絕對不能忽視的。
分流誤差的產生條件與鎧裝熱電偶種類和直徑等的關系見表1。
由以上分析可知, 分立元件檢定法有諸多弊端,因此, 建議最好采用整體校準法。
2 測量系統整體校準法
以熱電偶為傳感器的測溫系統的檢定, 按照現行標準, 只能采用分立元件法。由上所述, 即使三者檢定都合格, 組合起來并不一定合格。很久以前就有專家呼吁整體校準法。既對其測溫系統進行檢定, 得出整個系統的測量誤差, 而且最好能在現場校準。為此必須提供標準器, 即要有相對準確的現場效驗儀, 同被測系統用現場使用的工業爐作為比較熱源, 進行校準。因此, 首先要有相對標準的熱電偶高溫計, 還需要有國家標準作為依據。
2.1 盡快制定數字溫度計檢定規程
日本早在20世紀60 年代已經有了熱電偶高溫計、熱電阻溫度計的工業標準。目前國內廣泛應用的便攜式數字溫度計的檢定, 各單位基本上都采用整體校準法, 只因尚無法可依, 只能參照熱電偶或儀表的檢定規程給出校準證書。為了給類似于數字溫度計的現場校準儀提供檢定證書, 必須盡快制定數字溫度計的檢定規程。
2.2 現場校準儀的應用
目前市場廣泛流行的數字溫度計精度低, 不能用作現場校準儀。作為校準系統, 不僅準確度要高, 而且其準確度應該經過國家質量監督部門校準, 并帶有校準證書。用戶在購買用于現場校準的數字溫度計時必須注意這點。
2.3 分立元件檢定與整體校準法的比較
(1)分立元件檢定。通常采用的分立元件檢定法,即分別對熱電偶、補償導線及儀表進行檢定, 其測溫系統的誤差為:
式中: △1為熱電偶的極限誤差; △2為補償導線的極限誤差; △3為儀表的極限誤差。
例如采用K型熱電偶, 精度為Ⅱ級, 取溫度點1 000℃, 誤差為7.5℃, 對于K型熱電偶補償導線精度為B級, 誤差為2.5℃, 記錄儀與顯示儀表的精度為0.5級, 誤差為5℃。將各誤差值代入上面的公式為:
綜上所述, 采用分立元件檢定法檢定熱處理爐測溫系統的誤差約為±9.35℃, 無法滿足工藝要求, 有些單位購入的熱電偶不檢定就使用, 分散性更大, 測量的數據就更不可靠了, 難以指導生產。
(2) 整體校準法。購置較好的測溫儀一般整體校準精度在 0.4 級以內, 即取 1 000℃ 為測溫點, 其誤差應該在 ±4℃ 以內。由此可見, 整體校準法測量精度遠遠高于分立元件檢定法。因此, 應該廣泛應用整體校準法進行熱處理爐的測溫系統校準。
摘自：中國計量測控網
