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热处理炉用热电偶测温精度分析及改进
发布时间：2017-11-22
引 言
随着科技的发展, 自动化水平不断提高, 热处理行业对测温精度的要求越来越高, 尤其是“热处理炉有效加热区测定方法”中, 对Ⅰ类炉的保温精度要求高达±3℃[1]。为了确保温度量值的准确可靠, 对新制或使用中热电偶进行定期或不定期检定是十分必要的。当前,国内仅有热电偶、补偿导线及仪表各自的检定规程, 但没有热电偶高温计等测温系统的检定规程。因此, 对于测温系统的检定, 只能采用分立元件法, 即对构成测温系统的元件及仪表分别进行检定。此种检定方法是离线的, 不能对测温系统进行在线整体检定。对于广泛应用的各种热电偶数字温度计的检定, 尚无国家标准。本文将对热处理炉用热电偶测温精度进行分析, 并提出相应的解决办法供应用参考。
1 测温系统的分立元件检定法
关于测温系统的检定方法, 目前有两种方式: 分立元件检定法和整体校准法。依据国家标准, 对热电偶的检定, 应在计量室进行。因此, 使用中的热电偶必须从安装位置取下来, 送计量部门检定。有关热电偶的检定周期, 一般为半年, 在特殊情况下, 可依据使用条件确定。这种离线式检定方法存在的问题是: 经过计量室检定合格的产品, 在现场使用条件下不一定是合格的。这种现象鲜为人知, 未引起人们的重视。究其原因:
1.1 热电偶丝不均质影响
(1)热电偶材质本身不均质。热电偶在计量室检定时, 按规程要求, 插入检定炉内的深度只有300 mm。因此每支热电偶的检定结果, 确切的说只能体现或主要体现出从测量端开始300 mm长偶丝的热电行为, 然而, 当热电偶的长度较长, 使用时大部分偶丝处于高温区, 如果热电偶丝是均质的, 那么依据均质回路定则,测量结果与长度无关。可是热电偶丝并非均质, 尤其是廉价金属热电偶丝其均质性较差, 这样不均质的热电偶丝又处于具有温度梯度的场合, 那么其局部将产生热电动势, 该电动势称为寄生电动势, 由寄生电动势引起的误差称为不均质误差。
(2)热电偶丝经使用后产生的不均质。对于新制的热电偶即使是均质的, 经反复加工、弯曲致使热电偶产生加工畸变, 也将失去均质性, 而且使用中热电偶长期处于高温下, 也会因偶丝的变化引起热电动势变化。例如: 插入热处理炉中的热电偶, 将沿偶丝长度方向产生劣化, 并随温度升高, 劣化增大, 当劣化的部分处于具有温度梯度的场所, 也将产生寄生电动势叠加在总电动势中而出现测量误差。
1.2 铠装热电偶的分流误差
(1)分流误差。所谓分流误差即用铠装热电偶测量炉温时, 当热电偶中间部分的温度有超过800℃的温度分布存在时, 因其绝缘电阻下降, 热电偶示值出现异常的现象, 称为分流误差。依据均质回路定则, 用热电偶测温只与测量端与参考端温度有关, 与中间温度分布无关。可是由于铠装热电偶的绝缘物是粉末状态的MgO, 温度每升高100℃, 其绝缘电阻下降一个数量级,当中间部位温度较高时, 必定有漏电流产生, 致使热电偶产生分流误差。
(2)分流误差产生的条件。将直径!)4.8 mm, 长度25 m的铠装热电偶水平插入炉内, 中间部位加热带的长度为20 m, 温度为1 000℃。实验结果是, 如果测量端温度高于中间部位温度, 则产生负误差; 相反则产生正误差。如果测量端与中间部位的温差为200℃, 那么产生的分流误差约为100℃。如此大的误差是绝对不能忽视的。
分流误差的产生条件与铠装热电偶种类和直径等的关系见表1。
由以上分析可知, 分立元件检定法有诸多弊端,因此, 建议最好采用整体校准法。
2 测量系统整体校准法
以热电偶为传感器的测温系统的检定, 按照现行标准, 只能采用分立元件法。由上所述, 即使三者检定都合格, 组合起来并不一定合格。很久以前就有专家呼吁整体校准法。既对其测温系统进行检定, 得出整个系统的测量误差, 而且最好能在现场校准。为此必须提供标准器, 即要有相对准确的现场效验仪, 同被测系统用现场使用的工业炉作为比较热源, 进行校准。因此, 首先要有相对标准的热电偶高温计, 还需要有国家标准作为依据。
2.1 尽快制定数字温度计检定规程
日本早在20世纪60 年代已经有了热电偶高温计、热电阻温度计的工业标准。目前国内广泛应用的便携式数字温度计的检定, 各单位基本上都采用整体校准法, 只因尚无法可依, 只能参照热电偶或仪表的检定规程给出校准证书。为了给类似于数字温度计的现场校准仪提供检定证书, 必须尽快制定数字温度计的检定规程。
2.2 现场校准仪的应用
目前市场广泛流行的数字温度计精度低, 不能用作现场校准仪。作为校准系统, 不仅准确度要高, 而且其准确度应该经过国家质量监督部门校准, 并带有校准证书。用户在购买用于现场校准的数字温度计时必须注意这点。
2.3 分立元件检定与整体校准法的比较
(1)分立元件检定。通常采用的分立元件检定法,即分别对热电偶、补偿导线及仪表进行检定, 其测温系统的误差为:
式中: △1为热电偶的极限误差; △2为补偿导线的极限误差; △3为仪表的极限误差。
例如采用K型热电偶, 精度为Ⅱ级, 取温度点1 000℃, 误差为7.5℃, 对于K型热电偶补偿导线精度为B级, 误差为2.5℃, 记录仪与显示仪表的精度为0.5级, 误差为5℃。将各误差值代入上面的公式为:
综上所述, 采用分立元件检定法检定热处理炉测温系统的误差约为±9.35℃, 无法满足工艺要求, 有些单位购入的热电偶不检定就使用, 分散性更大, 测量的数据就更不可靠了, 难以指导生产。
(2) 整体校准法。购置较好的测温仪一般整体校准精度在 0.4 级以内, 即取 1 000℃ 为测温点, 其误差应该在 ±4℃ 以内。由此可见, 整体校准法测量精度远远高于分立元件检定法。因此, 应该广泛应用整体校准法进行热处理炉的测温系统校准。
摘自：中国计量测控网
