多区加热热电偶检定炉的温场研究

刘红彦， 张帅星， 徐震震， 张开兴， 张 军

(1.河北省计量监督检测研究院，河北 石家庄 050000；2.泰安磐然测控科技有限公司，山东 泰安 271018)

1 引 言

廉金属热电偶广泛应用在国民经济和国防各领域，其示值稳定性和测量准确度至关重要。校准廉金属热电偶通常使用比较法测量，并使用热电偶检定炉提供均匀稳定的温度场。目前廉金属热电偶依据JJF 1637—2017《廉金属热电偶校准规范》[1]进行校准，要求在600 mm热电偶检定炉中放置均温块以减小测量结果的不确定度。该方法依托于均温块材料的高导热系数、低比热容等物理特性，从而在炉管内形成稳定的均匀温场。

侯素兰、王浩等[2]通过对600 mm管式热电偶炉进行附加均温块的温场测量研究，表明在800 ℃下，温场在放置均温块后相较于未放置均温块有很大提高，不确定度改善约0.6 ℃。2010年12月国家质量监督检验检疫总局发布的JJF 1262-2010《铠装热电偶校准规范》[3]中明确要求，在300 ℃以上的管式炉设备中应配置均温块。李朝等[4]通过对管式炉温度场的试验与分析，阐述了均温块在提高管式炉温场性能、改善热电偶校准结果准确度方面的显著作用，并对均温块在使用过程中的局限性进行了探讨。

以往学者的研究表明，对传统单区加热结构的检定炉附加均温块，可以起到提高温场质量的作用，使用后的温场最大温差通常<0.5 ℃，但是也会带来控温滞后、恒温时间加长、高温漏电、降低工作效率等问题[5，6]，在实际工作中可操作性较差。为了解决这些问题，河北省计量监督检测研究院与泰安磐然测控科技有限公司合作研发了一种不需要使用均温块温场就能满足规范要求的多区加热结构的热电偶检定炉，本文将试验过程及相关分析研究进行逐一论述，希望能为今后的热电偶校准过程提供一定的数据参考。

2 概 述

2.1 检定炉

检定炉是热电偶检定系统中的恒温温度源，当前在热电偶的高温区间检定中尚没有更合适的替代品。检定炉多采用电阻炉的形式，通过电热丝加热产生热量对炉膛进行加热从而在炉膛内形成稳定均匀的恒温温场[7，8]。单区控温检定炉结构如图1(a)所示，主要由外壳、加热器、控制器、保温层、炉管、风扇等组成。炉管及加热器为检定炉的核心工作部件，负责均匀温场的形成；保温层起隔热保温作用；控制器是检定炉的主要电控设备。多区炉构造如图1(b)所示，与单区炉区别在于使用分段式加热器，能够对具体位置的加热量进行控制。

1-外壳 2-一体式加热器 3-控制器 4-保温层 5-炉管 6-分体式加热器图1 检定炉结构图Fig.1 Structure diagram of calibration furnace

2.2 均温块

热电偶检定炉专用均温块是采用高温合金材料制作的均温装置，主要用于廉金属热电偶(特别是铠装廉金属热电偶)校准使用[9～11]。检定炉的温场参数通常是在空载状态下测得，而在热电偶的校准过程中，同时插入的多支热电偶会导致严重的轴向导热，导致温场温度梯度增大，有效温场长度减小等问题。为应对上述问题，借助金属优良的导热性能，通过内置均温块的方式提高检定炉温场的温场质量。随着使用温度的升高，均温块对温场的改善效果也会更为明显。

2.3 试验目的

均温块的使用对于提升传统单区加热检定炉温场质量效果显著，但与此同时均温块的使用也带来了一些问题。首先是控温滞后问题，由于均温块的使用，检定炉内部负载增加，控温难度随之提升；其次在1 000 ℃以上，刚玉材质的炉管会变得松软，质量较大的均温块会导致炉管弯曲，影响正常使用；此外，800 ℃以上，绝缘材料的绝缘性能会大幅降低，继而导致漏电等问题的发生[12，13]。

具有多区加热结构的检定炉能够通过调整各个加热区的功率分配进而对温场分布进行调整，相比单区加热的检定炉通常具有更优的温场特性。本文通过对未配置均温块的多区加热检定炉与配置均温块的单区加热检定炉进行对比试验，论证多区加热结构的检定炉在检定过程中是否必须使用均温块。

3 试验仪器和设备

3.1 检定炉

试验使用的检定炉为新研发的多区加热温度校准炉(以下简称多区炉)和单区加热PR320A热电偶检定炉(以下简称单区炉)，试验中PR320A检定炉将配套PR1145A均温块使用。检定炉参数如表1所示，图2为检定炉实物图。

表1 检定炉参数Tab.1 Calibration furnace specifications

图2 检定炉Fig.2 Calibration furnace

3.2 高精度测温仪

测温仪选用PR293A纳伏微欧测温仪，有5路扫描通道、测量准确度0.005级、测量灵敏度10 nV/10 μΩ，并可引用证书值或修正值对测试结果进行温度溯源。

3.3 恒温槽

恒温槽选用PR601-500热管恒温槽，使用温度范围为300～500 ℃，水平温场最大温度偏差0.03 ℃，垂直温场最大偏差为0.05 ℃,温度波动性为0.04 ℃/10 min，可提供400～500 ℃均匀温场。本试验中用于热电偶的低温段校准。

3.4 自动温场测试装置

测试使用轴向温度场自动测试装置，此装置为自行设计，最大有效行程600 mm，可通过软件设定判断依据并自动进行轴向温度场测量。

3.5 温度传感器

本次试验使用的温度标准器均在检定周期内，被检热电偶选用同批次、直径8 mm的铠装N型热电偶，详情如表2所示，表2中t代表温度。

表2 温度传感器Tab.2 Temperature sensor

3.6 零度恒温器

本次使用的参考端恒温器为PR540零度恒温器。中心孔温差准确度为(0±0.03)℃，温度波动性为0.02 ℃/10 min，最大孔间温差为0.01 ℃。

4 试验研究

4.1 实验平台的搭建

本次试验的主要测试项目包括负载条件下配置均温块的单区炉、未配置均温块的多区炉的轴向温度场和各温度点热电偶示值误差，以及空载条件下的径向温度场。要求测试过程符合JJF 1184-2007《热电偶检定炉温度场测试技术规范》[14]要求。试验环境：温度18.5～22.5 ℃，相对湿度40%～55%。试验场景如图3所示,通过PR293A纳伏微欧测温仪将固定偶与移动偶采集到的电信号转化为温度值。根据固定偶与移动偶温度差值确定检定炉温场分布[15～18]。

图3 温场测试试验Fig.3 Temperature uniformity test

4.2 空载及负载条件下轴向温度场对比实验

轴向温度场的测试对象是未配均温块的多区炉及配备均温块的单区炉。为保证实验数据有足够的使用价值，分别对空载温场及负载温场进行测试。负载测试时使用4支N型铠装热电偶作为负载，多区炉的温场使用自动温场测试装置从前部进行测量，负载从后部插入。由于使用了杯状均温块，单区炉温场只能采用手工方式测量。

多区炉测试如图4所示。其中，为与铠装热电偶正常校准过程插入深度保持一致，负载插入深度为320 mm左右。测试温度点为400、600、800、1 000 ℃共4个温度点，在所有测试过程中使用高铝棉对炉口进行封堵，并全程使用零度恒温器对标准热电偶进行参考端补偿。

图4 轴向温度场测试实验图Fig.4 Experiment text diagram of axial temperature uniformity

测量过程中，固定偶放置于多区炉轴向“0 mm”中心点不动，移动标准偶插入中心测试定位管，可在-100～+100 mm之间各点移动，为了尽量获得更宽范围内的轴向温度场测试数据，多区炉的温场测量范围为中心点±100 mm。设定炉温在测试温度点，待炉温稳定性满足要求后，分别测量固定偶与移动偶热电动势所对应温度值，测量顺序为-100,-90,…,+90,+100 mm以此类推，往返一个循环，测试结果如表3所示。

表3 未配均温块的多区炉轴向温度场(温差)测试数据Tab.3 Test data of axial temperature field (temperature difference) of calibration furnace with multiple calorifiers without thermostatic block ℃

由于单区炉使用杯状均温块的限制，无法测量中心点±100 mm的轴向温度场，采用手工方式测量了均温块底部起60 mm范围内的温度分布数据，如图5所示，该区域对应多区炉-20～40 mm位置，单区炉轴向温度场测试结果如表4所示。

图5 均温块安装位置Fig.5 Position of the thermostatic block

表4 配均温块的单区炉轴向温度场(温差)测试数据Tab.4 Test data of axial temperature field (temperature difference) of calibration furnace with single calorifier equipped with thermostatic block ℃

4.3 热电偶示值误差实验对比

首先对4支N分度热电偶在热管恒温槽中校准400、500 ℃，标准器使用二等标准铂电阻温度计。然后分别在带均温块的单区炉及未配均温块的多区炉中校准400、500、600、800、1 000 ℃共5个温度点，标准器采用一等标准铂铑10-铂热电偶，并全程采用零度恒温器对标准偶及被检偶做参考端补偿。实验数据如表5所示。

表5 热电偶示值误差对比图Tab.5 Comparison chart of thermocouple indication error ℃

4.4 径向温度场对比实验

我国对廉金属偶检定炉的技术要求包括轴向温度场与径向温度场的测试。由于负载状态下炉管内插入多支铠装N型热电偶，无法进行径向温度场测试，此实验仅在空载情况下进行。测试位置：带均温块的单区炉在均温块底部进行，未配均热块的多区炉在其几何中心进行。测试温度点为400、700、1 000 ℃共3个温度点，全程采用零度恒温器对标准偶做参考段补偿。测试使用PR1145A附带定位块进行径向定位，测试位置及实物如图6所示；检定炉径向温度场测试结果如表6所示。

表6 径向温度场(温差)测试结果Tab.6 Radial temperature field (temperature difference) test results ℃

图6 径向温度场测试定位块示意图Fig.6 Radial temperature field test positioning block

4.5 结果分析

为方便综合比较，选取中心点±20 mm范围温场进行轴向温度均匀性比较。图7所示为空载温场实验对比结果，可以看出，即便不使用均温块，多区炉也有着较好的轴向温度均匀性，在该范围内的最大温差不超过0.2 ℃。传统单区炉在使用均温块的情况下，最大温差为0.8 ℃。

图7 不同温度下检定炉空载轴向温度场图Fig.7 No-load axial temperature uniformity of the calibration furnace at different temperature

如图8所示，在负载情况下，作为负载的铠装热电偶带来了较大的轴向导热，并使单区炉结构劣势被暴露，除1 000 ℃以外的温度点，温度梯度随设定温度降低越来越大，这是因为单区炉在设计时优先考虑在1 000 ℃时获得最佳的温场分布特性，受制于固定的热平衡结构，在其他温度设定点无法保证充足的轴向温度场。增加均温块后，其温度平衡过程依靠被动的热传导，无法弥补负载一端的散热损失。从图8可以看出，最高温度点位置为杯式均温块底部位置，在非1 000 ℃点时，温度随位置的变化下降较多。

图8 不同温度下检定炉负载轴向温度场Fig.8 Full-load axial temperature uniformity of the calibration furnace at different temperature

通过不同温度源中4支N型热电偶校准的试验数据可以看出，多区炉的校准数据质量优于配备均温块的单区炉。热电偶校准偏差如图9、图10所示，其中的400 ℃及500 ℃偏差采用热电偶在热管恒温槽中的校准数据。

图9 多区炉热电偶校准偏差图Fig.9 Calibration deviation of the calibration furnace with multiple calorifiers

图10 单区炉热电偶校准偏差Fig.10 Calibration deviation of the calibration furnace with single calorifier

可以看出，试验的4支被校准热电偶在多区炉中的高温部分的校准数据可以较好地与热管恒温槽中的低温段校准数据进行衔接，线性及一致性均较好。但同样的4支热电偶在配备均温块的单区炉中的校准数据与低温段校准数据组合后则存在明显的非线性，且一致性较差。

5 结 论

从以上测试数据可以看出，检定炉自身的轴向温度场均匀性至关重要，均温块的使用可以在一定程度上改善传统单区检定炉的温场均匀性，但在负载测试过程中还是存在较大的温度梯度。而具有多区加热结构的热电偶检定炉在不使用均温块的情况下，在较宽的温度区间内，其关键技术参数完全可以达到并超过使用均温块的普通热电偶检定炉。因此，多区控温校准炉在温场均匀性达到一定要求后，无需使用均温块也能满足热电偶的校准要求。

同时也应注意到，多区炉的制作工艺非常复杂，制造成本远高于单区炉，因此其普及难度较大。此外，更宽的温场宽度意味着更长的温度平衡时间，如何平衡等待时间与校准质量也是多区炉使用过程中需斟酌的一个问题。因此，使用者应当从实际的校准需求出发，综合考虑准确度、成本、效率，选择符合校准需求的热电偶检定炉。