管式热电偶检定炉均匀温场分析

       一直以来.计量部门及工业部门在校准廉金属铠装热电偶时，常用管式热电偶检定炉,这种炉子因操作简便、造价低廉而得到广泛使用。通常规定管式炉的长度为600mm，加热管内径约为40mm,常用最高温度为1200℃,最高均匀温场中心与炉子几何中心沿轴线上偏离不大于10mm,在均匀温场长度不小于60mm,半径为14mm范围内，任意两点间温差不大于1℃。
       然而,我们通过测试发现,现有的管式炉温场指标在未放被校准铠装偶(即空载)时测试可以达到标准,但在放置被校准铠装偶(即满载)时,温场不能达到“任意两点间温差不大于1℃的标准。而铠装偶在校准过程中必然装有被校准铠装偶,在这种情况下如何得到一个均匀稳定的温场,使现有的管式炉在满载时炉内温场达标是问题的关键。
一、管式炉在未放置金属均温块情况下的温场测试
       我们参照JJF1184--2007(热电偶检定炉温度场测试技术规范》提供的测试方法,选用典型的管式热电偶检定炉分别在空载和满载时进行了温场测试。由于铠装热电偶在校准时插人炉内300mm,测量端区仅用到炉子均匀温场的一半,因此,我们只研究放置热电偶一侧的温场分布情况即可。
1.管式炉在未放被校准铠装偶情况下的温场测试
       选用两支二等标准铂铑10-铂热电偶,插人中6mm高铝保护管中，两支高铝保护管分别插人管式炉两端的定位块中,中心间距为14mm,一支作移动标准偶,在管式炉轴向或径向规定位置移动;另一支作固定标准偶，固定于轴向或径向规定位置不动，两支标准偶插人炉内300mm。测试方法:将炉温升至800℃，恒温(50~60)min后开始测量，测出移动标准偶在任意一点相对于固定“0”点位置的温度差值。温场的测试结果如表1所示。

2.管式炉在放置被校准铠装偶情况下的温场测试
       将5支φ6mm的铠装偶与两支插人φ6mm高铝保护管的二等标准铂铑10-铂热电偶捆扎成束,测量端在同一个径向截面上，其中--支保护管放在中间;另一支保护管和5支铠装偶沿中间的保护管均匀分布，捆扎成束后直径约18mm,插人炉内300mm。测试方法同一、1,场的测试结果如表2所示。

       由表1和表2可以看出，管式炉在空载时进行温场测试,从炉中心沿热电偶一侧轴向30mm处的温差为-0.74℃,半径14mm的径向范周内任意两点最大差值为0.44℃,可以满足要求;而炉子在满载时进行温场测试，从炉中心沿热电偶束-侧轴向30mm处的温差达到-2.26℃,超出了1℃,边缘点与中心点的差值也达0.74℃,这给铠装热电偶的校准带来了较大误差。
       管式炉的温场均匀性是评定铠装热电偶校准结果不确定度的一个重要分量,在满载时，其温场均匀性较差,得到的不确定度也偏大，导致校准结果不正确。
3.从传热学角度分析以上测试结果，
       管式炉在未放置金属均温块的情况下,空载时的温场明显优于满载时,分析其原因,主要是由于炉子进行温场测试时,两端炉口通常用保温材料(如硅酸铝保温棉)封堵,管式炉内温度很高，空载时,炉内的传热方式有辐射换热和自然对流换热，而当炉温稳定后，炉内气体流动缓慢,自然对流可以忽略不计,炉内传.热以辐射换热为主，炉膛内近似于一个黑体辐射腔,炉内各处受热均匀.故温场比较均匀。而炉子在满载情况下进行温场测试时,由于铠装偶外铠材为合金材料,在高温时铠装偶插人炉内部分与露出炉外部分的温差较大，因而沿着铠装偶由炉内至炉外会有热传导，导致炉子有一部分的热损失，故沿热电偶束由内至外温度梯度较大,温场均匀性较差。
二、管式炉在放置金属均温块
       惰况下的温场测试为了提高管式炉温场的均匀性,我们提出校准铠装偶时,在管式炉均匀温场的中心应放置-个高温合金均温块，材料选用高温时比较稳定的镍铬合金。
       该均温块的示意图如图1所示,我们对同一管式炉在放有该均温块的情况下，进行了空载和满载情况下的温场测试。

1.管式炉在未放被校铠装偶情况下的温场测试
       选用6支同一尺寸的高铝保护管(壁厚约1mm)插人均温块各孔底部,将6支二等标准铂铑10-铂热电，偶分别插人保护管内，使标准偶测量端处于均温块各孔底部的同一个截面上。测试时，将均温块的几何中心截面置于管式炉均匀温场的中心，标准偶插人炉内深度约为325mm,控温热电偶(K型热电偶,偶丝直径3.0mm)插人控温偶孔深度为35mm。将炉温升至800℃,恒温(50~60)min后开始测量。测量径向温场时,将各支标准偶测量端在各孔底部时的示值作为径向温场测试结果。测量轴向温场时,选择一支标准偶作为固定标准偶，再选撣3支相间隔的标准偶作为移动标准偶,在管式炉轴向规定位置移动,测量3支移动标准偶在任意一点相对于固定“0”点位置的温度差值,将3支移动偶中相对于“0”点位置温度变化最大的一支标准偶的读数作为轴向温场测试结果。温场的测试结果如表3所示。

2.管式炉在放置被校铠装偶情况下的温场测试
       选用两支同一尺寸的高铝保护管(壁厚约1mm)插均温块同一直径上的两个孔底部,将两支二等标准铂铑10铂热电偶分别插人保护管内,再选择4支铠装偶插人均温块其余4孔底部,使标准偶和铠装偶的测量端处于均温块各孔底部的同一个截面上，其中一支标准偶作为固定标准偶;另一支标准偶作为移动标准偶，测试方法同
二、1,温场的测试结果如表4所示。

       由表3和表4可以看出,管式炉在装有均温块时进行温场测试,无论是否放置被校准铠装偶,从孔底算起其轴向30mm内温差均不大于0.5℃,孔底部同一截面任意孔间的温差的绝对值均不大于0.25℃。
3.从传热学角度分析以，上测试结果
       管式炉在放置金属均温块的情况下,其温场优于未放置均温块时,这主要是由于测试时均温块与管式炉壁互相接触,空隙非常小，炉温稳定后,炉内壁与均温之间以及均温块内部的传热方式均以导热为主,而金属的导热系数,比热容等热物性都比干空气大很多,高温时金属内部导热速度快且温度分布更均匀,故温度梯度小,温场均匀性好。而且.均温块材料选取的是镍铬合金,镍铬合金在高温时的热稳定性好热惰性较大,当炉温稳定后，即使温度有一定波动,均溢块内部导热滞后,也不会受到炉温波动的影响。
三、管式炉在未放均温块与放置均温块时温场测试结果的比较
       放置均温块后较之于未放均温块时,管式炉的温场指标有所提高，图2和图3是几种情况下温场测试结果的比较。


       从图2和用3可以看出:管式炉在放置均温块后轴向温场和径向温场的均匀性均有了大幅提高，尤其在带有被校准装偶(满载)时,轴向30mm内的温差提高了近5倍。
四、结束语
       通过以上试验我们可以得出:在传统的管式炉内放置金属均温块可以提高温场的均匀性,同时降低铠装偶校准结果的不确定度。
       经实际计算，管式炉内未放置均温块进行铠装偶校准时,在800℃点其校准结果的不确定度约为1.35℃,而在管式炉内放置均温块进行铠装偶校准时，在800℃点其校准结果的不确定度约为0.85℃,不确定度降低了约0.6℃。
       通过在管式炉内放置均温块来改善温场,提高校准结果正确率,,这种方法既简便又节省了更换校准设备的投资,这对推动我国校准部门改进铠装热电偶校准装置有借鉴意义。目前,由辽宁省计量科学研究院起草的<铠装热电偶校准规范》提出,应在管式炉内放置均温块进行铠装偶的校准,2009年11月，全国温度计量技术委员会已经讨论通过了在传统管式炉内放置均温块进行铠,装偶校准的方法。