大型密封式高溫設備溫場校準方法的研究

王 喆，崔堯堯，孫 浩

（天津市計量監督檢測科學研究院，天津300192）

大型密封式高溫設備通常是指容積在0.15 m3以上[1]、密封式結構、內部具有加熱和恒溫功能的熱處理設備，其中部分設備具有壓力真空泵，可以制造壓力或真空工作環境，它廣泛應用于生物化學、化工制藥、醫療衛生、農業科研、汽車和軍工等制造研究領域，是一種非常重要的加工設備，其溫場的準確性和真空密封性直接關系到產品質量[2]，目前國內沒有統一的溫場測試方法，在此，參考相關規范[3]，使用爐溫跟蹤儀和無線壓力模塊校準其工作區域內的溫場均勻性、溫度偏差、溫度波動度和真空、壓力密封性，為工業生產和科學研究提供技術依據[4]。

1 被測設備

在此以軍工熱壓罐為被測設備，熱壓罐是一套實現溫度、壓力、真空、冷卻等工藝參數時序化、實時在線控制的系統設備[5]，是很多行業重要工藝的加工設備，熱壓罐結構如圖1所示，主要由罐體、密封裝置、加熱系統、壓力系統、自動控制系統和安全機構組成。

熱壓罐罐體長7 m，高3.5 m；內部工作區域與外殼形狀相似，為長6 m，直徑3 m的橫置圓柱體；恒溫溫度為室溫～400℃，一般工作壓力為0.3 MPa，最高工作壓力為1.5 MPa；工作區域內溫度均勻性為±2℃，控制壓力偏差不超過10 kPa。

圖1 熱壓罐結構Fig.1 Structure of autoclave

2 測量裝置

2.1 爐溫跟蹤儀

測溫裝置由爐溫跟蹤儀、隔熱箱、相變模塊、鎧裝熱電偶和無線傳輸模塊組成，該裝置技術指標見表1[6-8]。

表1 測溫裝置各部件技術指標Tab.1 Technical indexes of each component of temperature measuring device

隔熱箱隔熱箱采用耐高溫不銹鋼外殼，內部填充厚150 mm的金屬氧化物纖維高溫織物多孔隔熱材料；內部凹槽放置金屬相變模塊；箱體由兩部分扣接，擰緊鎖扣，鎧裝熱電偶可以從兩側縫隙中伸出箱體，相變模塊中的材料具有吸熱功能，在58℃左右從固態相變到液態并吸收熱能[9]，溫度保持一定的時間不變，從而盡量延長爐溫跟蹤儀在高溫環境下的測量時間，隔熱箱和相變模塊實物如圖2所示，爐溫跟蹤儀單體最高使用溫度為80℃[10]，其實物如圖3所示。

此外還有配套的測試軟件，軟件中可以輸入鎧裝熱電偶經過校準所得的溫度修正值，20個通道可以逐個逐溫度點修正。

圖2 隔熱箱和相變模塊Fig.2 Thermal box and phase change module

圖3 爐溫跟蹤儀Fig.3 Furnace temperature tracker

2.2 無線壓力模塊

測量壓力參數使用TMI 無線壓力模塊，如圖4所示，長時間使用的溫度范圍為0～140℃，測量范圍為3～1500 kPa，允許誤差為±1.2 kPa，可以存儲超過40000個數據[11]；其允差的模不超過被測設備允差的1/5[12]，測量精度滿足要求。在密封的工作環境記錄數據，測試工作完成后去除通過軟件系統讀取。

圖4 無線壓力模塊Fig.4 Wireless pressure module

3 測量方法

3.1 測量位置點

熱壓罐內部有3 層隔板，隔板上面有均勻分布的孔，日常使用時用于放置工件，在測量其溫場時可以作為測溫架，根據熱壓罐內部工作區域的大小、形狀和測溫架布置測溫位置，總體原則是，測溫位置要均勻地分布在熱壓罐工作區域中，熱電偶的測量端不與罐體或者加熱元件接觸，其中，包括2個較為重要的測量位置：①工作區域的幾何中心；②熱壓罐內控溫偶的測量端處[13-15]。

隔熱箱和無線壓力模塊的放置位置如圖5所示，無線壓力模塊處于幾何中心處，隔熱箱放置在中間層方面鎧裝熱電偶分布即可，以爐口為參照，測量位置分為“前”、“中”、“后”3個面，“前”與“后”的分布相同，每個面的分布位置點和各點間距如圖6所示，圖中，位置點7為控溫偶測量端位置，位置點11為爐體工作區域的幾何中心點[16-18]。

圖5 測量位置Fig.5 Measurement location

圖6 測量位置點的分布Fig.6 Distribution of measurement positions

3.2 測量程序

在空載的情況下測量熱壓罐的溫場分布，測量溫度在其上限溫度400℃進行，由于無線壓力模塊的耐熱上限為140℃，遠小于測量溫場溫度，所以，要將熱壓罐的自動控制系統關閉，改為手動操作，先進行壓力指標測量，再單獨控溫進行溫場測量。

根據經驗，熱壓罐從室溫狀態升溫至400℃達到熱平衡狀態需要2 h，從400℃降至室溫需要3 h，內部具有空氣對流裝置，因為測溫裝置要放置在高溫環境內測量，為防止爐溫跟蹤儀被高溫損壞，應嚴格控制測量時間，根據文獻[10]，由各部件組成的測溫裝置，其正常工作的上限溫度為1100℃，時間不超過30 min，測量裝置的耐高溫時間由以下5個條件經過加權計算得出：①最高溫度；②持續時間；③平均溫度；④工作環境（例如滲碳氣氛或空氣是否靜止等因素）；⑤設備搬運，相變模塊在最高溫度為400℃，平均溫度約為240℃，低速對流空氣環境中，正常的工作時間不超過6 h，因此測溫時間要嚴格控制在1 h 以內。

完成壓力測量后，取出無線壓力模塊，在罐內放置好測量設備，將鎧裝熱電偶按照計劃進行布線，升溫和恒溫2 h 后，開始在線實時采集數據，采集間隔設置為3 min/次。采集結束后降溫，待符合要求后安全取出測量裝置。

4 測量結果

采集1 h的數據剔除異常值[19]后共有20 組，每組讀數平均有20個，設定溫度為400.0℃，顯示溫度為400.0℃；求取平均值后的熱壓罐溫場分布見表2。

表2 熱壓罐溫場分布結果Tab.2 Temperature field distribution results of autoclave

爐溫均勻度Δθ+，Δθ-的計算公式為

式中：tp，max為各測溫位置點實際溫度的最大值，℃；tp，min為各測溫位置點實際溫度的最小值，℃；tc為幾何中心點的實際溫度，℃。

爐溫穩定度δ+，δ-的計算公式為

式中：tc′為幾何中心點讀數的算數平均值，℃；ta為幾何中心點測得的大于tc′的最大值，℃；ti為幾何中心點測得的小于tc′的最小值，℃。

爐溫穩定度Δt+，Δt-的計算公式為

式中：tb為標稱溫度，℃。

由表2 數據，按照以上各式進行計算，此外，爐內最大溫差為每個測量周期內各測溫位置點測得的最大值減去最小值；實測壓力示值用平均值表示；罐體密封性截取其中5 min的壓力波動即可[20]。得到的熱壓罐溫場性能結果見表3。

5 結語

校準結果表明，該型熱壓罐的溫場分布，上層板和下層半的溫度相較于中層板更高，其中上層板溫度最高；前、中、后3個測試面，靠近罐底的“前”面溫度較高，靠近罐門的溫度較低，爐溫均勻度和爐溫偏差滿足要求，爐溫穩定度較好，密封性和壓力示值也在合理的范圍內。

表3 熱壓罐溫場性能結果Tab.3 Temperature field performance results of autoclave