熱處理爐用熱電偶測溫精度分析及改進

　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*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℃。如此大的誤差是不能忽視的。

　　分立元件檢定法有諸多弊端,因此,建議采用整體校準法。
2測量　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:△ε="△21+△22+△23。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:

　　ε=±"7.52+2.52+52=±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。
系統整體校準法