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          管式熱電偶檢定爐均勻溫場的研究

          發布時間:2020-11-25     瀏覽次數:
                 一直以來.計量部門及工業部門在校準廉金屬鎧裝熱電偶時,常用管式熱電偶檢定爐,這種爐子因操作簡便、造價低廉而得到廣泛使用。通常規定管式爐的長度為600mm,加熱管內徑約為40mm,常用最高溫度為1200℃,最高均勻溫場中心與爐子幾何中心沿軸線上偏離不大于10mm,在均勻溫場長度不小于60mm,半徑為14mm范圍內,任意兩點間溫差不大于1℃。
                 然而,我們通過測試發現,現有的管式爐溫場指標在未放被校準鎧裝偶(即空載)時測試可以達到標準,但在放置被校準鎧裝偶(即滿載)時,溫場不能達到“任意兩點間溫差不大于1℃的標準。而鎧裝偶在校準過程中必然裝有被校準鎧裝偶,在這種情況下如何得到一個均勻穩定的溫場,使現有的管式爐在滿載時爐內溫場達標是問題的關鍵。
          一、管式爐在未放置金屬均溫塊情況下的溫場測試
                 我們參照JJF1184--2007(熱電偶檢定爐溫度場測試技術規范》提供的測試方法,選用典型的管式熱電偶檢定爐分別在空載和滿載時進行了溫場測試。由于鎧裝熱電偶在校準時插人爐內300mm,測量端區僅用到爐子均勻溫場的一半,因此,我們只研究放置熱電偶一側的溫場分布情況即可。
          1.管式爐在未放被校準鎧裝偶情況下的溫場測試
                 選用兩支二等標準鉑銠10-鉑熱電偶,插人中6mm高鋁保護管中,兩支高鋁保護管分別插人管式爐兩端的定位塊中,中心間距為14mm,一支作移動標準偶,在管式爐軸向或徑向規定位置移動;另一支作固定標準偶,固定于軸向或徑向規定位置不動,兩支標準偶插人爐內300mm。測試方法:將爐溫升至800℃,恒溫(50~60)min后開始測量,測出移動標準偶在任意一點相對于固定“0”點位置的溫度差值。溫場的測試結果如表1所示。

          2.管式爐在放置被校準鎧裝偶情況下的溫場測試
                 將5支φ6mm的鎧裝偶與兩支插人φ6mm高鋁保護管的二等標準鉑銠10-鉑熱電偶捆扎成束,測量端在同一個徑向截面上,其中--支保護管放在中間;另一支保護管和5支鎧裝偶沿中間的保護管均勻分布,捆扎成束后直徑約18mm,插人爐內300mm。測試方法同一、1,場的測試結果如表2所示。

                 由表1和表2可以看出,管式爐在空載時進行溫場測試,從爐中心沿熱電偶一側軸向30mm處的溫差為-0.74℃,半徑14mm的徑向范周內任意兩點最大差值為0.44℃,可以滿足要求;而爐子在滿載時進行溫場測試,從爐中心沿熱電偶束-側軸向30mm處的溫差達到-2.26℃,超出了1℃,邊緣點與中心點的差值也達0.74℃,這給鎧裝熱電偶的校準帶來了較大誤差。
                 管式爐的溫場均勻性是評定鎧裝熱電偶校準結果不確定度的一個重要分量,在滿載時,其溫場均勻性較差,得到的不確定度也偏大,導致校準結果不準確。
          3.從傳熱學角度分析以上測試結果,
                 管式爐在未放置金屬均溫塊的情況下,空載時的溫場明顯優于滿載時,分析其原因,主要是由于爐子進行溫場測試時,兩端爐口通常用保溫材料(如硅酸鋁保溫棉)封堵,管式爐內溫度很高,空載時,爐內的傳熱方式有輻射換熱和自然對流換熱,而當爐溫穩定后,爐內氣體流動緩慢,自然對流可以忽略不計,爐內傳.熱以輻射換熱為主,爐膛內近似于一個黑體輻射腔,爐內各處受熱均勻.故溫場比較均勻。而爐子在滿載情況下進行溫場測試時,由于鎧裝偶外鎧材為合金材料,在高溫時鎧裝偶插人爐內部分與露出爐外部分的溫差較大,因而沿著鎧裝偶由爐內至爐外會有熱傳導,導致爐子有一部分的熱損失,故沿熱電偶束由內至外溫度梯度較大,溫場均勻性較差。
          二、管式爐在放置金屬均溫塊
                 惰況下的溫場測試為了提高管式爐溫場的均勻性,我們提出校準鎧裝偶時,在管式爐均勻溫場的中心應放置-個高溫合金均溫塊,材料選用高溫時比較穩定的鎳鉻合金。
                 該均溫塊的示意圖如圖1所示,我們對同一管式爐在放有該均溫塊的情況下,進行了空載和滿載情況下的溫場測試。

          1.管式爐在未放被校鎧裝偶情況下的溫場測試
                 選用6支同一尺寸的高鋁保護管(壁厚約1mm)插人均溫塊各孔底部,將6支二等標準鉑銠10-鉑熱電,偶分別插人保護管內,使標準偶測量端處于均溫塊各孔底部的同一個截面上。測試時,將均溫塊的幾何中心截面置于管式爐均勻溫場的中心,標準偶插人爐內深度約為325mm,控溫熱電偶(K型熱電偶,偶絲直徑3.0mm)插人控溫偶孔深度為35mm。將爐溫升至800℃,恒溫(50~60)min后開始測量。測量徑向溫場時,將各支標準偶測量端在各孔底部時的示值作為徑向溫場測試結果。測量軸向溫場時,選擇一支標準偶作為固定標準偶,再選撣3支相間隔的標準偶作為移動標準偶,在管式爐軸向規定位置移動,測量3支移動標準偶在任意一點相對于固定“0”點位置的溫度差值,將3支移動偶中相對于“0”點位置溫度變化最大的一支標準偶的讀數作為軸向溫場測試結果。溫場的測試結果如表3所示。

          2.管式爐在放置被校鎧裝偶情況下的溫場測試
                 選用兩支同一尺寸的高鋁保護管(壁厚約1mm)插均溫塊同一直徑上的兩個孔底部,將兩支二等標準鉑銠10鉑熱電偶分別插人保護管內,再選擇4支鎧裝偶插人均溫塊其余4孔底部,使標準偶和鎧裝偶的測量端處于均溫塊各孔底部的同一個截面上,其中一支標準偶作為固定標準偶;另一支標準偶作為移動標準偶,測試方法同
          二、1,溫場的測試結果如表4所示。

                 由表3和表4可以看出,管式爐在裝有均溫塊時進行溫場測試,無論是否放置被校準鎧裝偶,從孔底算起其軸向30mm內溫差均不大于0.5℃,孔底部同一截面任意孔間的溫差的絕對值均不大于0.25℃。
          3.從傳熱學角度分析以,上測試結果
                 管式爐在放置金屬均溫塊的情況下,其溫場優于未放置均溫塊時,這主要是由于測試時均溫塊與管式爐壁互相接觸,空隙非常小,爐溫穩定后,爐內壁與均溫之間以及均溫塊內部的傳熱方式均以導熱為主,而金屬的導熱系數,比熱容等熱物性都比干空氣大很多,高溫時金屬內部導熱速度快且溫度分布更均勻,故溫度梯度小,溫場均勻性好。而且.均溫塊材料選取的是鎳鉻合金,鎳鉻合金在高溫時的熱穩定性好熱惰性較大,當爐溫穩定后,即使溫度有一定波動,均溢塊內部導熱滯后,也不會受到爐溫波動的影響。
          三、管式爐在未放均溫塊與放置均溫塊時溫場測試結果的比較
                 放置均溫塊后較之于未放均溫塊時,管式爐的溫場指標有所提高,圖2和圖3是幾種情況下溫場測試結果的比較。


                 從圖2和用3可以看出:管式爐在放置均溫塊后軸向溫場和徑向溫場的均勻性均有了大幅提高,尤其在帶有被校準裝偶(滿載)時,軸向30mm內的溫差提高了近5倍。
          四、結束語
                 通過以上試驗我們可以得出:在傳統的管式爐內放置金屬均溫塊可以提高溫場的均勻性,同時降低鎧裝偶校準結果的不確定度。
                 經實際計算,管式爐內未放置均溫塊進行鎧裝偶校準時,在800℃點其校準結果的不確定度約為1.35℃,而在管式爐內放置均溫塊進行鎧裝偶校準時,在800℃點其校準結果的不確定度約為0.85℃,不確定度降低了約0.6℃。
                 通過在管式爐內放置均溫塊來改善溫場,提高校準結果準確性,,這種方法既簡便又節省了更換校準設備的投資,這對推動我國校準部門改進鎧裝熱電偶校準裝置有借鑒意義。目前,由遼寧省計量科學研究院起草的<鎧裝熱電偶校準規范》提出,應在管式爐內放置均溫塊進行鎧裝偶的校準,2009年11月,全國溫度計量技術委員會已經討論通過了在傳統管式爐內放置均溫塊進行鎧,裝偶校準的方法。
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