江蘇金鼎自動(dòng)化儀表有限公司 ：姚佳明
引言
隨著科技的發(fā)展 ,自動(dòng)化水平不斷提高 ,熱處理行業(yè)對(duì)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(duì)Ⅰ類爐的保溫精度要求高達(dá) ±3℃[1]。為了確保溫度量值的準(zhǔn)確可靠 ,對(duì)新制或使用中熱電偶進(jìn)行定期或不定期檢定是十分必要的。當(dāng)前 ,國內(nèi)僅有熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線及儀表各自的檢定規(guī)程 ,但沒有熱電偶高溫計(jì)等測溫系統(tǒng)的檢定規(guī)程。因此 ,對(duì)于測溫系統(tǒng)的檢定 ,只能采用分立元件法 ,即對(duì)構(gòu)成測溫系統(tǒng)的元件及儀表分別進(jìn)行檢定。此種檢定方法是離線的 ,不能對(duì)測溫系統(tǒng)進(jìn)行在線整體檢定。對(duì)于廣泛應(yīng)用的各種熱電偶數(shù)字溫度計(jì)的檢定 ,尚無國家標(biāo)準(zhǔn)。本文將對(duì)熱處理爐用熱電偶測溫精度進(jìn)行分析 ,并提出相應(yīng)的解決辦法供應(yīng)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(zhǔn)法。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) ,對(duì)熱電偶的檢定 ,應(yīng)在計(jì)量室進(jìn)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(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(jì)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(jì)量室檢定時(shí),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(dāng)熱電偶的長度較長 ,使用時(shí)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)?？墒菬犭娕冀z并非均質(zhì) ,尤其是廉價(jià)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(dòng)勢(shì) ,該電動(dòng)勢(shì)稱為寄生電動(dòng)勢(shì) ,由寄生電動(dòng)勢(shì)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(duì)于新制的熱電偶即使是均質(zhì)的 ,經(jīng)反復(fù)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(huì)因偶絲的變化引起熱電動(dòng)勢(shì)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(dāng)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(dòng)勢(shì)疊加在總電動(dòng)勢(shì)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(shí) ,當(dāng)熱電偶中間部分的溫度有超過 800℃的溫度分布存在時(shí) ,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(gè)數(shù)量級(jí) ,當(dāng)中間部位溫度較高時(shí) ,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(shí)驗(yàn)結(jié)果是 ,如果測量端溫度高于中間部位溫度 ,則產(chǎn)生負(fù)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
影響因素 | 條件 |
鎧裝熱電偶的直徑 | 直徑越細(xì),越容易產(chǎn)生誤差。 |
中間部位的溫度 | 中間部位的溫度超過800℃,容易產(chǎn)生分流誤差。 |
中間部位加熱帶長度 | 中間部位加熱帶越長,越容易產(chǎn)生分流誤差。 |
中間部位加熱帶位置 | 中間部位加熱帶位置距離測量端越遠(yuǎn),越容易產(chǎn)生分流誤差。 |
絕緣電阻 | 絕緣電阻越低越容易產(chǎn)生分流誤差。 |
熱電偶絲電阻 | ①K型與S型相比,K型偶絲電阻比較大,更容易產(chǎn)生分流誤差。②外徑相同的鎧裝熱電偶,偶絲越細(xì)越容易產(chǎn)生分流誤差。 |
由以上分析可知,分立元件檢定法有諸多弊端,因此,建議采用整體校準(zhǔn)法。 2測量系統(tǒng)整體校準(zhǔn)法
以熱電偶為傳感器的測溫系統(tǒng)的檢定,按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn),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(zhǔn)法。既對(duì)其測溫系統(tǒng)進(jìn)行檢定,得出整個(gè)系統(tǒng)的測量誤差,而且能在現(xiàn)場校準(zhǔn)。為此必須提供標(biāo)準(zhǔn)器,即要有相對(duì)準(zhǔn)確的現(xiàn)場效驗(yàn)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(jìn)行校準(zhǔn)。因此,首先要有相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶高溫計(jì),還需要有國家標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)
2.1盡快制定數(shù)字溫度計(jì)檢定規(guī)程
日本早在20世紀(jì)60年代已經(jīng)有了熱電偶高溫計(jì)、熱電阻溫度計(jì)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前國內(nèi)廣泛應(yīng)用的便攜式數(shù)字溫度計(jì)的檢定,各單位基本上都采用整體校準(zhǔn)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(zhǔn)證書。為了給類似于數(shù)字溫度計(jì)的現(xiàn)場校準(zhǔn)儀提供檢定證書,必須盡快制定數(shù)字溫度計(jì)的檢定規(guī)程。
2.2現(xiàn)場校準(zhǔn)儀的應(yīng)用
目前市場廣泛流行的數(shù)字溫度計(jì)精度低,不能用作現(xiàn)場校準(zhǔn)儀。作為校準(zhǔn)系統(tǒng),不僅準(zhǔn)確度要高,而且其準(zhǔn)確度應(yīng)該經(jīng)過國家質(zhì)量監(jiān)督部門校準(zhǔn),并帶有校準(zhǔn)證書。用戶在購買用于現(xiàn)場校準(zhǔn)的數(shù)字溫度計(jì)時(shí)必須注意這點(diǎn)。
2.3分立元件檢定與整體校準(zhǔn)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(duì)熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線及儀表進(jìn)行檢定,其測溫系統(tǒng)的誤差為:△ε="△21+△22+△23。式中:△1為熱電偶的極限誤差;△2為補(bǔ)償導(dǎo)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(jí) ,取溫度點(diǎn) 1 000℃,誤差為7.5℃,對(duì)于K型熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線精度為B級(jí),誤差為2.5℃,記錄儀與顯示儀表的精度為0.5級(jí),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(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(dǎo)生產(chǎn)。
2）整體校準(zhǔn)法。購置較好的測溫儀一般整體校準(zhǔn)精度在 0.4級(jí)以內(nèi),即取 1 000℃為測溫點(diǎn),其誤差應(yīng)該在 ±4℃以內(nèi)。由此可見,整體校準(zhǔn)法測量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于分立元件檢定法。因此,應(yīng)該廣泛應(yīng)用整體校準(zhǔn)法進(jìn)行熱處理爐的測溫系統(tǒng)校準(zhǔn)。
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