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熱處理爐用熱電偶測溫精度分析及改進
發(fā)布時間：2017-11-22
引 言
隨著科技的發(fā)展, 自動化水平不斷提高, 熱處理行業(yè)對測溫精度的要求越來越高, 尤其是“熱處理爐有效加熱區(qū)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(nèi)僅有熱電偶、補償導線及儀表各自的檢定規(guī)程, 但沒有熱電偶高溫計等測溫系統(tǒng)的檢定規(guī)程。因此, 對于測溫系統(tǒng)的檢定, 只能采用分立元件法, 即對構(gòu)成測溫系統(tǒng)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(tǒng)進行在線整體檢定。對于廣泛應用的各種熱電偶數(shù)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(tǒng)的分立元件檢定法
關(guān)于測溫系統(tǒng)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(jù)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(guān)熱電偶的檢定周期, 一般為半年, 在特殊情況下, 可依據(jù)使用條件確定。這種離線式檢定方法存在的問題是: 經(jīng)過計量室檢定合格的產(chǎn)品, 在現(xiàn)場使用條件下不一定是合格的。這種現(xiàn)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(zhì)影響
(1)熱電偶材質(zhì)本身不均質(zhì)。熱電偶在計量室檢定時, 按規(guī)程要求, 插入檢定爐內(nèi)的深度只有300 mm。因此每支熱電偶的檢定結(jié)果, 確切的說只能體現(xiàn)或主要體現(xiàn)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(qū), 如果熱電偶絲是均質(zhì)的, 那么依據(jù)均質(zhì)回路定則,測量結(jié)果與長度無關(guān)。可是熱電偶絲并非均質(zhì), 尤其是廉價金屬熱電偶絲其均質(zhì)性較差, 這樣不均質(zhì)的熱電偶絲又處于具有溫度梯度的場合, 那么其局部將產(chǎn)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(zhì)誤差。
(2)熱電偶絲經(jīng)使用后產(chǎn)生的不均質(zhì)。對于新制的熱電偶即使是均質(zhì)的, 經(jīng)反復加工、彎曲致使熱電偶產(chǎn)生加工畸變, 也將失去均質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)生寄生電動勢疊加在總電動勢中而出現(xiàn)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(xiàn)異常的現(xiàn)象, 稱為分流誤差。依據(jù)均質(zhì)回路定則, 用熱電偶測溫只與測量端與參考端溫度有關(guān), 與中間溫度分布無關(guān)。可是由于鎧裝熱電偶的絕緣物是粉末狀態(tài)的MgO, 溫度每升高100℃, 其絕緣電阻下降一個數(shù)量級,當中間部位溫度較高時, 必定有漏電流產(chǎn)生, 致使熱電偶產(chǎn)生分流誤差。
(2)分流誤差產(chǎn)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(nèi), 中間部位加熱帶的長度為20 m, 溫度為1 000℃。實驗結(jié)果是, 如果測量端溫度高于中間部位溫度, 則產(chǎn)生負誤差; 相反則產(chǎn)生正誤差。如果測量端與中間部位的溫差為200℃, 那么產(chǎn)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(chǎn)生條件與鎧裝熱電偶種類和直徑等的關(guān)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(tǒng)整體校準法
以熱電偶為傳感器的測溫系統(tǒng)的檢定, 按照現(xiàn)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(tǒng)進行檢定, 得出整個系統(tǒng)的測量誤差, 而且最好能在現(xiàn)場校準。為此必須提供標準器, 即要有相對準確的現(xiàn)場效驗儀, 同被測系統(tǒng)用現(xiàn)場使用的工業(yè)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(jù)。
2.1 盡快制定數(shù)字溫度計檢定規(guī)程
日本早在20世紀60 年代已經(jīng)有了熱電偶高溫計、熱電阻溫度計的工業(yè)標準。目前國內(nèi)廣泛應用的便攜式數(shù)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(guī)程給出校準證書。為了給類似于數(shù)字溫度計的現(xiàn)場校準儀提供檢定證書, 必須盡快制定數(shù)字溫度計的檢定規(guī)程。
2.2 現(xiàn)場校準儀的應用
目前市場廣泛流行的數(shù)字溫度計精度低, 不能用作現(xiàn)場校準儀。作為校準系統(tǒng), 不僅準確度要高, 而且其準確度應該經(jīng)過國家質(zhì)量監(jiān)督部門校準, 并帶有校準證書。用戶在購買用于現(xiàn)場校準的數(shù)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(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)就更不可靠了, 難以指導生產(chǎn)。
(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(nèi), 即取 1 000℃ 為測溫點, 其誤差應該在 ±4℃ 以內(nèi)。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(tǒng)校準。
摘自：中國計量測控網(wǎng)
