什么是均溫塊?均溫塊在熱電偶校準中有什么作用

       熱電偶校準通常是將二等標準鉑銠10-鉑熱電偶和被校熱電偶捆扎在一起，放入管式爐合格溫場(chǎng)中用比較法完成的。管式爐溫場(chǎng)一致性是保證校準結果準確性的重要因素。在JJF1637-2017《廉金屬熱電偶校準規范》和JJF1262-2010《鎧裝熱電偶校準規范》中，對管式爐軸向溫場(chǎng)和徑向溫場(chǎng)都有著(zhù)明確的要求。為了更好地保證熱電偶校準時(shí)的溫場(chǎng)一致性，規范中提出了均溫塊的概念，以改善爐溫性能。但在實(shí)際工作中，由于校準人員的重視程度不足，均溫塊的使用沒(méi)有得到很好的推廣。本文通過(guò)試驗數據的對比分析，證明均溫塊對熱電偶校準質(zhì)量的重要影響，并對其在實(shí)際工作中的應用進(jìn)行了探討。

1、均溫塊的結構
       熱電偶管式爐均溫塊是采用高溫合金材料(一般為鎳鉻合金)制作而成的均溫裝置，主要用來(lái)在廉金屬熱電偶(特別是鎧裝廉金屬熱電偶)校準時(shí)起均溫作用，提高管式爐溫場(chǎng)均勻性，至高使用溫度1200℃。根據被校準對象不同，均溫塊的結構有所不同：?jiǎn)慰仔途鶞貕K在中心開(kāi)有一個(gè)單孔，使用時(shí)將普通廉金屬熱電偶捆扎成束后放入孔內，如圖1a所示；多孔型均溫塊開(kāi)有多個(gè)測試孔，使用時(shí)將鎧裝熱電偶直接插入孔中，無(wú)需捆扎，控溫孔可以和測試孔開(kāi)在一面，也可以開(kāi)在均溫塊的背面，所有開(kāi)孔均為盲孔，如圖1b所示。本試驗中將爐口處的擋板和均溫塊做成一體結構，如圖1c所示，可以方便均溫塊在爐內的定位，也便于溫場(chǎng)測試時(shí)進(jìn)行轉動(dòng)。
                      
圖1a 單孔型均溫塊             圖1b 多孔型均溫塊             圖1c 一體結構型均溫塊 

2、管式爐溫場(chǎng)測試數據比較
2.1 帶均溫塊時(shí)溫場(chǎng)測試數據
       選取一臺管式爐，在1000℃下對其帶均溫塊時(shí)的溫場(chǎng)一致性進(jìn)行測試。 測試方法如下：將均溫塊置于管式爐中心位置，用2支二等標準鉑銠10-鉑熱電偶作為測試偶。軸向溫場(chǎng)測試時(shí)，一支插入均溫塊周邊任一孔底部作為固定熱電偶，另一支插入中心孔中作為移動(dòng)熱電偶。由孔底開(kāi)始向外，測試30mm距離內溫度一致性。徑向溫度場(chǎng)的測試采用微差法，先把移動(dòng)熱電偶和固定熱電偶的負極在參考端短接，之后將移動(dòng)熱電偶正極接測量?jì)x器“+”，固定熱電偶正極接測量?jì)x器“-”；然后將2支測試偶同時(shí)插入均溫塊中心孔底部，測得微差值，作為徑向溫場(chǎng)測試時(shí)“0”點(diǎn)位置的讀數；再測試徑向溫場(chǎng)上、下、左、右位置和中心孔在孔底處的溫度一致性。
帶均溫塊時(shí)軸向與徑向溫場(chǎng)測試示意圖分別如圖2軸向和圖3所示，測試結果如表1所示。由于均溫塊測試孔為盲孔，故測試結果為由孔底向外各點(diǎn)的數據。
    

圖2 軸向溫度場(chǎng)測試示意圖 

圖3 徑向溫度場(chǎng)測試示意圖

表1 帶均溫塊時(shí)溫度場(chǎng)測試結果

方向            位置/cm         溫度分布/℃      溫度差/℃軸向            0                     0                      0.3(距均溫塊孔底0-3cm之間)
軸向            1                     0.2                   0.3(距均溫塊孔底0-3cm之間)
軸向            2                     0.1                   0.3(距均溫塊孔底0-3cm之間)
軸向            3                     -0.1                  0.3(距均溫塊孔底0-3cm之間)
徑向            上                    0.1                   0.2
徑向            右                    0.2                   0.2
徑向            下                    0.2                   0.2
徑向            左                    0.2                   0.2
徑向            0                     0                      0.2
2.2 未帶均溫塊時(shí)溫場(chǎng)測試數據
       對同一臺管式爐，按JJF1184-2007《熱電偶檢定爐溫度場(chǎng)測試技術(shù)規范》的要求，在未置入均溫塊時(shí)，對其1000℃時(shí)軸向溫場(chǎng)和徑向溫場(chǎng)進(jìn)行測試，測試結果如表2所示。
       由于帶均溫塊時(shí)測試的是0-3cm的溫場(chǎng)一致性，因此只比較兩次測量管式爐同一側溫場(chǎng)的溫度均勻性。從溫場(chǎng)測試結果得出，均溫塊內0-3cm溫度場(chǎng)一致性可達0.3℃，而未使用均溫塊時(shí)0-3cm的溫度場(chǎng)一致性為0.8℃。從實(shí)驗數據可知使用均勻塊后爐溫均勻性有了明顯提升，這主要緣于金屬良好的導熱性能。

3、熱電偶校準數據比較與分析
      通過(guò)對熱電偶在不同管式爐內、不同狀態(tài)下的校準數據比較，可以進(jìn)一步證明均溫塊在校準中具有重要作用。
表2 未帶均溫塊時(shí)溫度場(chǎng)測試結果
方向             位置/cm        溫度分布/℃        溫度差/℃軸向             -3                 0.7                      1.0(-3~3cm之間)
軸向             -2                 -0.2                     1.0(-3~3cm之間)
軸向             -1                 0.0                      1.0(-3~3cm之間)
軸向             0                   0.0                      1.0(-3~3cm之間)
軸向             1                   0.3                      1.0(-3~3cm之間)
軸向             2                   0.7                      1.0(-3~3cm之間)
軸向             3                   0.8                      1.0(-3~3cm之間)
徑向             上                  0.3                      0.3
徑向             右                  0.3                      0.3
徑向             下                  0.3                      0.3
徑向             左                  0.2                      0.3
徑向             0                    0                        0.3
試驗前，先對帶均溫塊管式爐控溫參數進(jìn)行整定，獲取相應PID參數，按區域PID方法執行溫度控制。

       試驗在兩臺管式爐中分別進(jìn)行，管式爐編號分別為17081504，160517。校準時(shí)，先將均溫塊置于其中一臺管式爐內，將二等標準鉑銠10-鉑熱電偶插入中心孔孔底，被校熱電偶插入均溫塊周邊任意孔底部，獲取一組校準數據；然后，將均溫塊置于另一臺管式爐中，再次對這兩支熱電偶進(jìn)行校準，觀(guān)察不同爐子之間校準結果的差異。校準結果見(jiàn)表3。
表3 帶均溫塊時(shí)熱電偶校準數據
爐號                熱電偶編號     300℃點(diǎn)誤差/℃     500℃點(diǎn)誤差/℃     700℃點(diǎn)誤差/℃      一致性/℃
17081504       128                 -0.4                       0.7                        1.0                         0.3
160517           128                 -0.5                       0.4                        1.1                         0.3
17081504       130                 -0.1                       0.1                        0.4                         0.3
160517           130                 -0.4                       0.1                        0.6                         0.3
       為進(jìn)行數據比較，在兩臺管式爐中，采用不帶均 溫塊的方式，分別對熱電偶進(jìn)行校準，校準工作用同一支標準熱電偶完成，以便更好地觀(guān)察均溫塊對熱電偶校準結果的影響。校準結果見(jiàn)表4。
       從表3、表4中可以看出，未配均溫塊時(shí)，同一支熱電偶在兩臺管式爐中的校準結果大相差0.9℃；配均溫塊后，同一支熱電偶校準結果大相差0.3℃，熱電偶校準結果一致性得到明顯改善。

表4 未帶均溫塊時(shí)熱電偶校準數據
爐號               熱電偶編號      300℃點(diǎn)誤差/℃       500℃點(diǎn)誤差/℃     700℃點(diǎn)誤差/℃   一致性/℃
17081504      128                 -0.2                         0.6                         1.9                       0.9
160517          128                 -0.1                         -0.3                        1.1                       0.9
17081504      130                 -0.1                         0.0                         1.2                       0.8
160517          130                 -0.6                         -0.8                        0.6                       0.8
       在實(shí)際工作中發(fā)現，當熱電偶捆扎成束裝爐后，由于捆扎的形狀和熱電偶本身的熱傳導特性會(huì )對爐溫均勻性產(chǎn)生影響。而通過(guò)加入均溫塊可有效改善熱電偶對爐溫均勻性的影響，提高管式爐合格溫區內的溫場(chǎng)性能。并且均溫塊相當于在爐內裝載了一個(gè)負載，可減少溫度波動(dòng)對熱電偶校準帶來(lái)的影響。

帶均溫塊校準熱電偶時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：
①均溫塊使用的前提條件是管式爐本身要有合格的溫場(chǎng)，不能片面強調均溫塊的作用而忽視管式爐本身溫場(chǎng)的重要性；
②帶均溫塊后，管式爐的控溫滯后性增加，應對帶均溫塊管式爐控溫參數進(jìn)行整定，匹配相應PID參數，適當延長(cháng)恒溫時(shí)間，獲取更好的測量結果；
③校準時(shí)，需要對熱電偶的插入深度做出標記，當熱電偶位置偏出時(shí)能及時(shí)發(fā)現并調整。

4、均溫塊在特殊結構熱電偶校準中的應用
       均溫塊不僅能夠改善溫場(chǎng)，還能改善檢定或校準熱電偶時(shí)的換熱情況。在實(shí)際使用中，對于一些異形熱電偶，用常規的捆扎方法往往無(wú)法校準。 而均溫塊的使用，可以提高管式爐對特殊結構熱電偶的校準能力。
①在真空熱處理設備中，由于工作溫度較高，需要用貴金屬熱電偶進(jìn)行控溫和溫場(chǎng)測試。為保證氣密性，有時(shí)會(huì )采用不可拆卸的陶瓷封裝結構， 無(wú)法將偶絲抽出來(lái)進(jìn)行校準。通過(guò)X光檢測可以發(fā)現，這類(lèi)熱電偶的測量端和陶瓷管頂部之間往往具有一定的空隙。在與標準熱電偶捆扎在一起進(jìn)行校準時(shí)，由于無(wú)法獲知測量端在瓷管內的具體位置，導致校準結果誤差較大。對于這種情況，可以參考鎧裝熱電偶的校準方法，將熱電偶插入均溫塊中進(jìn)行校準。由于均溫塊本身具 有較好的孔間溫度一致性，可以獲得準確可靠的校準結果。但由于貴金屬熱電偶校準溫度較高，需要綜合考慮均溫塊的使用溫度，采用合適的高溫合金塊。
②發(fā)動(dòng)機試驗用熱電偶因考慮氣流流速影響，一般在感溫端附近設計有進(jìn)氣孔和排氣孔，使氣流以一定的速度流過(guò)測量端。某發(fā)動(dòng)機T3熱電偶結構如圖4所示。
       該型熱電偶結構特殊，因此校準時(shí)對溫度場(chǎng)有著(zhù)較高要求；并且這類(lèi)熱電偶一般直徑比較粗，捆扎裝爐后會(huì )明顯改變管式爐溫場(chǎng)，造成校準時(shí)受熱不均勻，帶來(lái)較大測量誤差，按常規方法無(wú)法準確校準。通過(guò)設計制作符合其結構特點(diǎn)的均溫塊，實(shí)現T3熱電偶靜態(tài)溫度特性校準。該均溫塊的開(kāi)孔尺寸略大于熱電偶直徑，孔深也隨之增加，保證熱電偶插入均溫塊的深度與孔徑之比滿(mǎn)足要求。由于均溫塊內部的傳熱方式主要以導熱為主，高溫時(shí)金屬內部溫度分布均勻，受溫度波動(dòng)影響小，故能夠提供一個(gè)穩定且均勻的溫場(chǎng)。試驗結果表明：將均溫塊應用于T3熱電偶的校準中是有效且可靠的。為了取得更好的校準結果，還可以將標準熱電偶套上與被校偶相似的外加金屬保護管，使二者輻射性能相接近。
③對于一些因固定卡套和接口法蘭等原因無(wú)法和標準熱電偶從同一側放入爐內校準的熱電偶，可以考慮從均溫塊兩側開(kāi)孔，孔底置于爐內相同截面處，從管式爐兩端分別插入，完成校準工作。這種情況下需要提前對均溫塊兩側溫度一致性進(jìn)行測試，確認滿(mǎn)足使用要求后，方可實(shí)施校準。
       均溫塊作為輔助裝置，與管式爐配套使用，是改善溫場(chǎng)性能的重要手段，對于提高熱電偶校準精度作用突出?？梢燥@著(zhù)減小測量結果的不確定度，在對熱電偶進(jìn)行合格判定和修正值引用時(shí)效果明顯。合理地使用均溫塊，能夠對熱電偶校準中遇到的問(wèn)題提供更廣泛的解決思路。廣大計量人員應充分認識到均溫塊作用的重要性，使其在溫度計量領(lǐng)域的應用更加廣泛與深入。