热处理炉用热电偶测温精度分析及改进

　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*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℃。如此大的误差是不能忽视的。

　　分立元件检定法有诸多弊端,因此,建议采用整体校准法。
2测量　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:△ε="△21+△22+△23。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:

　　ε=±"7.52+2.52+52=±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。
系统整体校准法