熱電偶檢定爐應(yīng)用進(jìn)展

于韶穎

（青海省計(jì)量檢定測(cè)試院，西寧 810000）

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，工作繁瑣等問題。

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。

本文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)

于凡[1]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)，最終獲得了長度為100mm的溫場(chǎng)，均勻度達(dá)到0.165℃。張雪峰[2]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)不一致且無法調(diào)節(jié)，測(cè)試結(jié)果不確定度偏大的固有問題，通過改造管式電阻爐的控溫方式，即通過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，康斯特儀表提出一種物理分區(qū)加熱方案[3]，加熱區(qū)分三段并獨(dú)立控制，解決峰值電流過大，且獲取了更長的中心均溫區(qū)，且通過不同加熱模式實(shí)現(xiàn)了多種工作模式（長爐、短爐及退火爐）。FLUKE公司提出一種方案分時(shí)間專利技術(shù)[4]，將加熱過程分成3個(gè)時(shí)間階段，通過分時(shí)加熱這種加熱絲的重新串聯(lián)配置方法，解決峰值電流過大的問題。

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)往往無法準(zhǔn)確測(cè)量短型熱電偶的示值偏差。王喆等[6]通過實(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。宋光政[7]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)的不確定度來源分析和評(píng)定。葛紀(jì)全[8]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)，還有學(xué)者對(duì)熱電偶引線直徑與測(cè)溫偏移開展了研究。Pavlasek等[9]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

張雪峰[10]發(fā)展了熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)，其通過編寫自動(dòng)檢定軟件完成整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試工作，并將該方法在上海市計(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。卯聲松[11]針對(duì)熱電偶檢定耗時(shí)的問題，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。馮冬青等[12]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。魏錦俊[13]提出了利用計(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。

劉禮威[14]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)。陳磊[15]針對(duì)熱電偶檢定工作人力投入大及人為因素帶來不確定度等問題，基于圖像化編程語言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)。孟卓珩等[16]從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)犭娕荚冢?00～1100）℃全量程范圍內(nèi)的溫度偏差并判斷檢定結(jié)論。劉成超等[17]根據(jù)熱電偶檢定爐溫度控制過程的特點(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、A/D轉(zhuǎn)換芯片、SCR模塊等構(gòu)成，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)精確控制，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)。劉慧英等[18]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)思路給本領(lǐng)域軟件的編制、修改和升級(jí)帶來了方便，具有借鑒意義。

1.4 爐體工藝技術(shù)

強(qiáng)化熱輻射技術(shù)：陳軍2017[19]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，其工藝改進(jìn)值得本領(lǐng)域進(jìn)行學(xué)習(xí)。該工作通過熱輻射材料進(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)生漏電等問題，嚴(yán)重威脅操作人員的生命健康安全[20]。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)大的問題，從FLUKE 9118A[21]公開的資料看，尚未解決這個(gè)問題。北京康斯特公司的ConST683A[22]在結(jié)構(gòu)硬件上進(jìn)行創(chuàng)新，采用特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增設(shè)接地屏蔽罩，徹底解決了漏電問題，實(shí)測(cè)全溫度區(qū)間均無漏電現(xiàn)象。該解決方法給熱電偶檢定爐的工藝設(shè)計(jì)提供了重要參考。

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)大的問題，侯素蘭[23]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

王浩[24]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。劉曉青等[25]針對(duì)熱電偶檢定效率低下的現(xiàn)狀問題，通過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。

2 熱電偶檢定爐設(shè)備進(jìn)展

2.1 國外進(jìn)展情況

國外的熱電偶檢定爐起步早，積累了一定優(yōu)勢(shì)，在國際市場(chǎng)上占據(jù)了高端產(chǎn)品市場(chǎng)的大部分份額。美國FLUKE公司[21]開發(fā)的9118A型熱電偶檢定爐內(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。

ISOTECH公司出品的球狀熱電偶檢定裝置Model Saturn 877[26]極為獨(dú)特，由多個(gè)同心外殼組成。旋壓金屬外殼用于容納和支撐，里面是一層陶瓷纖維，內(nèi)部是一個(gè)陶瓷球形罩，其中包含加熱器繞組。爐子中間是一個(gè)帶有8個(gè)或16個(gè)管子的實(shí)心鑄陶瓷球，用于容納需要校準(zhǔn)的熱電偶。該產(chǎn)品在許多方面都具有領(lǐng)先性：球形確保了恒溫的中心區(qū)域，熱電偶圍繞校準(zhǔn)球的圓周插入后，測(cè)量接頭位于球體中心，彼此相距幾毫米；最多可以同時(shí)校準(zhǔn)15個(gè)熱電偶，在1000℃溫度點(diǎn)精度介于±0.25℃和±0.1℃之間使用新開發(fā)的現(xiàn)代陶瓷材料，可以獲得高精度、低質(zhì)量和高穩(wěn)定性。

2.2 國內(nèi)進(jìn)展情況

國內(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)到了國際領(lǐng)先水平。北京康斯特儀表于2020年推出的ConST683A智能標(biāo)準(zhǔn)爐[22]面向國際市場(chǎng)，它的智能自動(dòng)化水平、核心溫場(chǎng)指標(biāo)、整機(jī)設(shè)計(jì)、操作便利性、控溫速度、靈活性等方面都有全新的升級(jí)，極大地提高了檢定/校準(zhǔn)的效率。由于采用了獨(dú)立的三段控溫技術(shù)，3支獨(dú)立的控溫偶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫場(chǎng)狀態(tài)，應(yīng)用智能控溫算法，保證溫場(chǎng)指標(biāo)；同時(shí)，獨(dú)立溫區(qū)技術(shù)帶來附加功能，可以用作600mm檢定爐、300mm檢定爐和1100℃點(diǎn)退火爐，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了3種功能，具有顯著的經(jīng)濟(jì)性。產(chǎn)品使用外風(fēng)道散熱設(shè)計(jì)，在檢定爐內(nèi)部達(dá)到1200℃的高溫時(shí)，外殼溫度只有30℃左右，提高了產(chǎn)品整機(jī)的安全系數(shù)。此外，針對(duì)行業(yè)普遍存在的高溫漏電問題，ConST683A采用創(chuàng)新技術(shù)和特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免了高溫漏電的安全隱患。該產(chǎn)品的推出打破了國外品牌對(duì)高端市場(chǎng)的壟斷地位，通過下文的參數(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)為其代表了國內(nèi)和國際熱電偶檢定爐的最高水準(zhǔn)。

3 熱電偶檢定爐發(fā)展展望

本文針對(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，在本領(lǐng)域發(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，而具有顯著創(chuàng)新的產(chǎn)品則較為少見。具有最高溫度指標(biāo)，最高自動(dòng)智能化水平的產(chǎn)品，才是代表未來的產(chǎn)品。

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)。本領(lǐng)域的發(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)。

表1 典型熱電偶檢定爐產(chǎn)品對(duì)比表Table 1 Comparison table of typical thermocouple calibration furnace products

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