熱電偶檢定爐應(yīng)用進(jìn)展

摘要:聚焦于熱電偶檢定爐，調(diào)研了相關(guān)的理論技術(shù)進(jìn)展，包括多溫區(qū)加熱控溫技術(shù)、短型熱電偶測(cè)溫相關(guān)的控制及自動(dòng)化技術(shù)以及爐體工藝進(jìn)展，進(jìn)一步聚焦國(guó)內(nèi)外研究領(lǐng)域及產(chǎn)品市場(chǎng)，介紹了整機(jī)及典型主流產(chǎn)品的應(yīng)用進(jìn)展情況。最后，結(jié)合綜述情況給出了熱電偶檢定爐發(fā)展展望，指出熱電偶檢定爐發(fā)展應(yīng)從理論、系統(tǒng)化設(shè)備、自動(dòng)化程序進(jìn)行多角度、系統(tǒng)性的規(guī)劃和架構(gòu)，以提升裝置自動(dòng)化、智能化為核心，助力熱電偶計(jì)量檢定效率升級(jí)。
0引言
　　開展熱電偶檢定工作需要用到電測(cè)儀表、熱電偶檢定爐、退火爐和其他配套設(shè)備，其中電測(cè)儀表具有一定的通用性，而熱電偶檢定爐則為最重要的專用設(shè)備，其技術(shù)發(fā)展對(duì)熱電偶的檢定和使用極為重要。當(dāng)前采用熱電偶檢定爐開展檢定工作，依然存在耗時(shí)長(zhǎng)，工作繁瑣等問(wèn)題。
　　熱電偶檢定裝置總體在往自動(dòng)方向發(fā)展，檢定效率持續(xù)提升。自動(dòng)恒溫、自動(dòng)記錄及生成符合國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程要求的檢定記錄及檢定證書成為了極具吸引力的重要功能。結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理快及準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，集成微機(jī)系統(tǒng)的智能化熱電偶檢定裝置，其應(yīng)用大大降低了檢定員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)提升了數(shù)據(jù)處理的可靠性。
　　聚焦于熱電偶檢定爐領(lǐng)域，調(diào)研了相關(guān)的理論技術(shù)進(jìn)展以及行業(yè)產(chǎn)品進(jìn)展，從這兩個(gè)層面進(jìn)行了綜述。
1熱電偶檢定爐理論技術(shù)進(jìn)展
1.1多溫區(qū)加熱控溫技術(shù)
　　在附帶風(fēng)冷降溫功能的管式熱電偶檢定爐研制中，采用了多溫區(qū)技術(shù)，最終獲得了長(zhǎng)度為100mm的溫場(chǎng)，均勻度達(dá)到0.165℃。針對(duì)傳統(tǒng)的管式熱電偶檢定爐溫場(chǎng)的不同溫度下溫場(chǎng)指標(biāo)表現(xiàn)不一致且無(wú)法調(diào)節(jié),測(cè)試結(jié)果不確定度偏大的固有問(wèn)題，通過(guò)改造管式電阻爐的控溫方式，即通過(guò)三段控溫的方法降低了校準(zhǔn)時(shí)的測(cè)量不確定度。上述工作的測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了三段控溫的可行性,獲取了滿意的測(cè)試結(jié)果。
　　在多溫區(qū)技術(shù)方面，提出一種物理分區(qū)加熱方案B，加熱區(qū)分三段并獨(dú)立控制，解決峰值電流過(guò)大，且獲取了更長(zhǎng)的中心均溫區(qū)，且通過(guò)不同加熱模式實(shí)現(xiàn)了多種工作模式(長(zhǎng)爐、短爐及退火爐)。提出一種方案分時(shí)間專利技術(shù)4，將加熱過(guò)程分成3個(gè)時(shí)間階段，通過(guò)分時(shí)加熱這種加熱絲的重新串聯(lián)配置方法，解決.峰值電流過(guò)大的問(wèn)題。
1.2短型熱電偶相關(guān)
　　現(xiàn)行的熱電偶檢定爐溫度場(chǎng)測(cè)試技術(shù)規(guī)范是JJF1184-2007《熱電偶檢定爐溫度場(chǎng)測(cè)試技術(shù)規(guī)范》5，該規(guī)范為(300~1500)℃范圍內(nèi)包括帶控溫器和不帶控溫器的臥式管式檢定爐溫度場(chǎng)的測(cè)試提供了依據(jù)，也為立式管式檢定爐、退火爐的測(cè)試提供了標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范中明確區(qū)分了檢定爐和短爐。
　　傳統(tǒng)的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法在高溫區(qū)往往無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量短型熱電偶的示值偏差。通過(guò)實(shí)驗(yàn)找到其測(cè)不準(zhǔn)的原因，設(shè)計(jì)研發(fā)接線端恒溫器，在一定程度上減小不.確定度，同時(shí)也驗(yàn)證了采用接線端恒溫器的新的校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)短型偶更為準(zhǔn)確。探討了基于CST4001全自動(dòng)溫度檢定系統(tǒng)的短型廉金屬熱電偶的校準(zhǔn)方法，進(jìn)行了校準(zhǔn)的不確定度來(lái)源分析和評(píng)定。介紹了一種短型熱電偶校準(zhǔn)裝置，闡述了該系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)組成，并通過(guò)試驗(yàn)的方法對(duì)熱電偶傳感器特性進(jìn)行校準(zhǔn)研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)短型熱電偶溫度特性進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，還有對(duì)熱電偶引線直徑與測(cè)溫偏移開展了研究。介紹了不同直徑熱電偶在210多個(gè)小時(shí)高溫下測(cè)試的電壓輸出變化，建立了電壓漂移水平與熱電偶引線直徑之間的關(guān)系，并創(chuàng)建漂移函數(shù)，表達(dá)了漂移率和熱電偶引線直徑之間的依賴性。
1.3控制及自動(dòng)化
　　發(fā)展了熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)，其通過(guò)編寫自動(dòng)檢定軟件完成整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試工作，并將該方法在計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院的工作用廉金屬熱電偶校準(zhǔn)裝置上試驗(yàn)，獲得了穩(wěn)定的運(yùn)行效果。針對(duì)熱電偶檢定耗時(shí)的問(wèn)題，利用繼電器切換開關(guān)代替機(jī)械運(yùn)動(dòng)型切換開關(guān)，縮短數(shù)據(jù)采集時(shí)間;開發(fā)系統(tǒng)軟件，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，系統(tǒng)自動(dòng)工作獲取的數(shù)據(jù),擴(kuò)展不確定度的最大值為0.64℃.(最大允許誤差的2/3),熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)測(cè)量精度滿足要求，達(dá)到了熱電偶自動(dòng)檢定目的。為了提高熱電偶檢定爐溫度的控制性能，研究了檢定爐模型的在線辨識(shí)方法和控制器參數(shù)的自整定方法，設(shè)計(jì)了檢定爐溫度智能控制系統(tǒng)，其試驗(yàn)結(jié)果表明基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制器在200℃~1200℃之間對(duì)檢定爐溫度控制的性能指標(biāo)優(yōu)越于傳統(tǒng)PID控制器昌。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合的新型熱電偶自動(dòng)檢測(cè)模式，給出了多參數(shù)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)修正、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和報(bào)告判定的總體構(gòu)架，進(jìn)一步開發(fā)了熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng),經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作便捷，可以滿足熱電偶計(jì)量器具檢測(cè)工作需求。
　　針對(duì)檢定接線復(fù)雜，傳統(tǒng)PID控制器在工作環(huán)境變化時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間與精度較差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了結(jié)合模糊算法與傳統(tǒng)PID算法的模糊PID控制器，獲得了響應(yīng)特性優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制器，穩(wěn)態(tài)精度更高，超調(diào)量更小的爐溫度控制系統(tǒng)。針對(duì)熱電偶檢定工作人力投人大及人為因素帶來(lái)不確定度等問(wèn)題，基于圖像化編程語(yǔ)言LabVIEW和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，使用LabVIEW開發(fā)了上位機(jī)軟件，系統(tǒng)具有檢定時(shí)間快，控溫精度高的優(yōu)勢(shì)。工作用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程所確定的檢定原理和計(jì)算方法出發(fā)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算方法,設(shè)計(jì)出一套軟件，可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶證書值和被檢熱電偶待檢溫度點(diǎn)、熱電動(dòng)勢(shì)實(shí)測(cè)值，自動(dòng)計(jì)算被檢高溫?zé)犭娕?/strong>在(300~1100)℃全量程范圍內(nèi)的溫度偏差并判斷檢定結(jié)論。根據(jù)熱電偶檢定爐溫度控制過(guò)程的特點(diǎn)和要求，構(gòu)建了以AT89C52單片機(jī)為檢測(cè)控制中心的智能控制系統(tǒng)，由單片機(jī)、熱電偶、AD轉(zhuǎn)換芯片、SCR模塊等構(gòu)成，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)正確控制，具有線路簡(jiǎn)單，精度高，響應(yīng)快，顯示直觀，使用方便等特點(diǎn)。針對(duì)傳統(tǒng)熱電偶檢定軟件修改和升級(jí)比較麻煩的問(wèn)題，提出了一種基于組件式設(shè)計(jì)思路的檢定軟件方案，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，可自動(dòng)完成熱電偶的檢定工作。組件式的設(shè)計(jì)及開發(fā)思路給軟件的編制、修改和升級(jí)帶來(lái)了方便,具有借鑒意義。
1.4爐體工藝技術(shù)
　　強(qiáng)化熱輻射技術(shù):為降低能耗，減少大氣環(huán)境的污染，采用黑體技術(shù)對(duì)加熱爐進(jìn)行了強(qiáng)化熱輻射技術(shù)改造。雖然不是在檢定爐領(lǐng)域內(nèi)的工作，但由于加熱原理的相同性，工藝改進(jìn)值得進(jìn)行學(xué)習(xí)。該工作通過(guò)熱輻射材料進(jìn)行強(qiáng)化處理爐膛內(nèi)襯，調(diào)節(jié)爐襯輻射方向,增加傳熱面積，減少熱損失，達(dá)到強(qiáng)化傳熱效果，最終爐溫均勻性和穩(wěn)定性得到提高，在加熱量基本相同的情況下，能耗明顯降低。
　　高溫漏電問(wèn)題的解決:熱電偶檢定爐在高溫條件下漏電現(xiàn)象幾乎是一個(gè)行業(yè)通行問(wèn)題，市售大量產(chǎn)品存在此缺陷。檢定爐在檢定1000℃以上的溫度點(diǎn)時(shí)，隨著溫度的升高，材料中的自由電子運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)。高溫會(huì)導(dǎo)致爐管材料的絕緣強(qiáng)度下降。由于在熱電偶檢定過(guò)程中，需要人工對(duì)檢定爐的熱電偶位置進(jìn)行更換，漏電問(wèn)題不僅會(huì)影響加熱功率的穩(wěn)定性，導(dǎo)致測(cè)量值發(fā)生波動(dòng)從而影響測(cè)量結(jié)果，還會(huì)導(dǎo)致檢定爐發(fā)生漏電等問(wèn)題，嚴(yán)重威脅操作人員的生命健康安全0。經(jīng)分析，剛玉管高溫漏電會(huì)在被檢偶和標(biāo)準(zhǔn)偶上產(chǎn)生很強(qiáng)的共模電壓，如果測(cè)量表隔離強(qiáng)度不夠，會(huì)造成測(cè)量值波動(dòng)大的問(wèn)題，從FLUKE9118A121公開的資料看，尚未解決這個(gè)問(wèn)題。
　　均熱塊:針對(duì)傳統(tǒng)單溫區(qū)檢定爐溫場(chǎng)指標(biāo)不佳，檢定爐滿載時(shí)溫場(chǎng)的技術(shù)指標(biāo)不符合要求，以及檢測(cè)時(shí)管式爐溫場(chǎng)的波動(dòng)大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了杯式高溫合金均溫塊與管式爐配套使用，提高了溫場(chǎng)的技術(shù)指標(biāo)，減小了溫場(chǎng)的波動(dòng)，可滿足不同直徑熱電偶的檢測(cè)。實(shí)測(cè)顯示:放置杯式均溫塊的技術(shù)指標(biāo)比未放置杯式均溫塊的提高了很多。
1.5其它理論技術(shù)工作進(jìn)展
　　發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的管式爐溫場(chǎng)指標(biāo)在空載時(shí)測(cè)試可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，但在放置被校準(zhǔn)鎧裝偶(即滿載)時(shí)，溫場(chǎng)均.勻度不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。其測(cè)試顯示在管式爐內(nèi)放置均溫塊可以達(dá)到改善溫場(chǎng)的效果，這種方法既簡(jiǎn)便又節(jié)省了更換校準(zhǔn)設(shè)備的投資，對(duì)推動(dòng)國(guó)內(nèi)校準(zhǔn)部門改進(jìn)鎧裝熱電偶校準(zhǔn)裝置有借鑒意義。針對(duì)熱電偶檢定效率低下的現(xiàn)狀問(wèn)題，通過(guò)分析熱電偶檢定整個(gè)工作流程現(xiàn)狀，制定了基于實(shí)際需求的高效檢定流程，達(dá)到了提高熱電偶檢定效率的目的。
熱電偶檢定爐設(shè)備進(jìn)展
2.1國(guó)外進(jìn)展情況
　　國(guó)外的熱電偶檢定爐起步早，積累了一定優(yōu)勢(shì)，在國(guó)際市場(chǎng)上占據(jù)了高端產(chǎn)品市場(chǎng)的大部分份額。熱電偶檢定爐內(nèi)置了溫度控制器，不需要使用外置溫控裝置和電腦就可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的溫度源。爐內(nèi)采用雙區(qū)的溫度控制，以實(shí)現(xiàn)溫度均勻性和迅速的加熱速率。其加熱器內(nèi)嵌于耐火的陶瓷纖維材料中，形成了一套兩件式的加熱組件。
2.2國(guó)內(nèi)進(jìn)展情況
　　國(guó)內(nèi)的熱電偶檢定爐起步比較早，但是直到近幾年才有快速發(fā)展，部分產(chǎn)品達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。針對(duì)行業(yè)普遍存在的高溫漏電問(wèn)題,ConST683A采用特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免了高溫漏電的安全隱患。該產(chǎn)品的推出打破了國(guó)外品牌對(duì)高端市場(chǎng)的壟斷地位，通過(guò)下文的參數(shù)對(duì)比表，結(jié)合ConST683A型本身的智能自動(dòng)化操控系統(tǒng)，可認(rèn)為其代表了國(guó)內(nèi)和國(guó)際熱電偶檢定爐的最高水準(zhǔn)。
熱電偶檢定爐發(fā)展展望
　　針對(duì)熱電偶檢定，及關(guān)鍵設(shè)備熱電偶檢定爐進(jìn)行了調(diào)研，分析整理了相關(guān)理論、工藝技術(shù)進(jìn)展情況，以及整機(jī)及市場(chǎng)產(chǎn)品進(jìn)展兩個(gè)層面進(jìn)行了綜述。結(jié)合綜述情況，對(duì)熱電偶檢定爐發(fā)展展望如下:
1)理論技術(shù)層面，在發(fā)展最為活躍，但是工作分散度高，且存在大量相似重復(fù)的工作，系統(tǒng)的規(guī)律性總結(jié)較少見，不利于形成行業(yè)理論共識(shí)，需要更多的系統(tǒng)性.研究論文進(jìn)行支撐。
2)檢定爐產(chǎn)品領(lǐng)域，近年上市的產(chǎn)品數(shù)量眾多,而具有顯著產(chǎn)品則較為少見。
3)熱電偶的檢定工作繁瑣，其操作執(zhí)行耗時(shí)耗力,始終是領(lǐng)域工作的一大痛點(diǎn)。發(fā)展應(yīng)從理論、系統(tǒng)化設(shè)備、自動(dòng)化程序多角度、系統(tǒng)性地規(guī)劃和架構(gòu),推進(jìn)行業(yè)進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)熱電偶檢定的全流程自動(dòng)智能化，助力制造業(yè)效率升級(jí)。