本文為第二屆《中國計量》中青年優秀科技論文獎三等獎獲獎文章之一

吉林省計量科學研究院　李紅麗  趙春生  孫俊峰  于翠玲  李宗君

　　一、前言

　　高溫電阻爐是一種為化學反應發生提供恒定溫度以及用于高溫熔解制樣的溫度計量設備，廣泛應用于電力、煤炭、冶金、建材、鋼鐵、化工、醫藥、科研等行業，電阻爐控溫的準確性與企業的正常生產和檢測機構化驗結果的準確性密切相關，同時也是對產品質量的保證。對各種類型的電阻爐還要進行爐溫均勻性檢測，確定爐膛內的有效加熱區域。因此，定期對高溫電阻爐進行校準，對確保電阻爐爐溫在長期生產過程的準確性，提高生產效率有著十分重要的作用。目前，國家發布了JJF1101-2003《環境試驗設備溫度、濕度校準規范》，但還沒有制定專門針對于高溫電阻爐的校準規范。本文將介紹一種高溫電阻爐的校準方法，并詳細介紹校準步驟與校準過程中的相關問題。    

　　二、校準方法

　　高溫電阻爐的工作系統由電阻爐爐體(爐膛內嵌電熱絲)、控溫熱電偶、溫度控制顯示儀表三部分組成。爐體中均勻分布的電阻絲通電后發熱，配套使用的儀表能自動調節加熱功率或占空比，爐體由保溫材料制成，最終可以將爐溫控制在某一設定溫度處。

　　1.傳統的檢定方法

　　對于高溫電阻爐的校準，以前都是將控溫熱電偶與溫度控制顯示儀表拆下來分別送檢，待送檢合乎要求后再投入使用。這種檢測方法存在以下不足:
　　(1)控溫熱電偶的插入深度一般不能太淺，大約為熱電偶保護管直徑的8～10倍，以保證測溫的準確性；但也不能太深，以免與裝爐的工件相干擾。因此，儀表控制熱電偶的插入位置一般都在有效加熱區域邊緣或以外，不能較準確地反映工件所處有效加熱區域的溫度。
　　(2)有些電阻爐采用的控溫熱電偶規格不符合標準，長度很短，不符合檢定規程的要求，無法在熱電偶檢定爐中進行檢定。
　　(3)客戶每次拆下送檢，生產部門需要停爐，會給客戶帶來不便。

　　2.系統整體校準方法
　　此方法是將電阻爐爐體、控溫熱電偶及控溫顯示儀表作為一個整體，進行整體的現場校準。根據日常校準工作的需要，本校準方法適用于最高工作溫度為1600℃的高溫電阻爐。
　　(1)校準項目
　　高溫電阻爐的校準項目主要包括溫度偏差和溫度均勻度。
　　(2)校準裝置的組成
　　所使用的標準器及配套設備有標準熱電偶、標準顯示儀表(直流電壓測量儀器)、數字溫度計、補償導線和轉換開關。裝置連接示意圖如圖1所示，校準所用標準器及配套設備要求如表1所示。    

 圖1  校準裝置連接示意圖    

表1  校準所用標準器及配套設備

　　(3)校準步驟
　　電阻爐最好在爐膛未裝爐料(空載)的情況下測量，如果有爐料應該和客戶交代清楚，使用的標準器必須是經過檢定合格的。

　　①標準熱電偶的安裝
　　在斷電的前提下將標準熱電偶由測量口插入，把熱電偶測量端放到中心樣品分析位置，將最好地反映爐內工作區域的真實溫度。將熱電偶的參考端與標準顯示儀表輸入端連接，數字溫度計放在參考端旁邊，用于得到參考端的補償溫度。在測量口要用石棉堵嚴，以防漏熱。

　　②測試點的位置
　　測試點的位置應分布在電阻爐工作室內的3個平面上，稱上、中、下三層，中層為通過工作室幾何中心平行于底面的工作面，測試點與工作室內壁的距離不小于各邊長的1/10，遇風道時，此距離可加大，如電阻爐內有樣品架或樣品車時，下層測試點可放在樣品架或樣品車上方10mm處。對實驗室用的箱體較小的電阻爐(小于0.2m³)，測試點的位置可適當調整，通常放置在電阻爐的中心位置處，或標準熱電偶和被校電阻爐熱電偶的測量端。測試布點圖如圖2所示(a為容積小于0.9m³時，b為容積大于0.9m³時)。
    

圖2  測試布點圖

　　③校準點的選擇
　　一般新購的電阻爐校準溫度點應選擇使用范圍的下限、上限溫度，使用中的可選擇上下限間的任意溫度，也可根據用戶需要選擇實際常用的溫度點，從而也方便進行溫度均勻度的校準。

　　④溫度校準
　　將被校準電阻爐的溫控儀設定到所要求的標稱溫度，通常由低溫到高溫，使電阻爐正常工作，穩定后開始讀數，每2min記錄所有測試點的溫度1次，在30min內共測試15次。測量得到的數值進行修正后即為實際溫度，對于體積較小的電阻爐，可只校準電阻爐的溫度偏差。

　　⑤數據處理
　　a.溫度偏差的計算
    Δt=t_d-t₀
    式中:Δt——溫度偏差，℃；t_d——被校電阻爐溫控儀顯示(指示)平均溫度，℃；t₀——標準熱電偶在中心點n次測量的平均值，℃。

　　注:標準熱電偶所測溫度點對應的毫伏值為標準顯示儀表顯示毫伏值與數字溫度計顯示溫度對應毫伏值之和，通過查熱電偶分度表可得出標準熱電偶每次所測的溫度值。
    b.溫度均勻度的計算
    每次測量中實測最高溫度與最低溫度之差的算術平均值如下:
    
    式中:Δt_u——溫度均勻度，℃；n——測量次數；t_i——各校準點在第i次測得的最高溫度，℃；t_i——各校準點在第i次測得的最低溫度，℃。
    (4)系統校準的優點
    ①校準人員攜標準器現場校準，避免了用戶拆卸送檢的麻煩。校準工作在1個工作日內完成，節約了大量的停爐時間。
    ②不管測溫元件或二次儀表示值是否超差，只要整體計量性能滿足用戶要求，就可繼續使用。與傳統檢定必須滿足檢定規程要求有本質區別。
    ③測溫元件不管是熱電阻還是熱電偶，也不管標準型號與否，測溫儀表是指針或是數顯，只要使用范圍在0℃～1600℃以內，都可以用此種方法對其溫度示值進行校準。
    ④校準時，標準熱電偶測量端置于電阻爐內樣品分析位置附近，能夠測出樣品區域的真實溫度。直接與電阻爐二次儀表顯示值比較，能更合理地評價整個電阻爐的溫度計量性能。
    (5)系統整體校準過程中應注意的問題
    ①標準熱電偶裝爐、接線均在電阻爐斷電情況下進行，檢查接線無誤后，方可開啟電阻爐升溫。
    ②標準熱電偶測量端要置于樣品分析位置附近，但不能觸及樣品或爐內壁，以防污染或損壞標準熱電偶。
    ③溫度達到控溫點后，為使爐溫均勻、穩定，需控溫30min后再進行讀數。由于電阻爐二次儀表與毫伏表顯示不同步，因此，每個回合讀數時要讀取毫伏表的最高、最低值，相應地讀取二次儀表顯示的最高、最低值。
    ④測量爐溫均勻度必須在空載的情況下，達到熱穩定狀態時進行。對具有風扇的電阻爐，在測量期間風扇要正常工作。
    ⑤如果示值誤差偏大，就要檢查爐子工作是否正常。例如，為防止控制儀表熱電偶的不銹鋼保護管與爐絲短接，在控制儀表熱電偶上又套了一個絕緣瓷管，這樣要剪短絕緣瓷管，以免使控制儀表熱電偶的實際露出長度短于熱電偶保護管的8～10倍；爐壁上插控制儀表熱電偶的孔密封要嚴密，以防附近區域熱量散失。實際情況下，采取一定措施可以使示值誤差絕對值較大的爐溫現場校正值減小。
    ⑥校準結束后，為避免損壞熱電偶或縮短熱電偶的壽命，不能迅速取出標準熱電偶，也不能迅速打開爐門，因為急冷急熱會損壞爐膛。

　　三、結束語

　　應用本校準方法，對多家技術中心與企業化驗室的多臺箱式、管式及其他類型的電阻爐進行了校準，校準結果令用戶滿意。開展控溫電阻爐校準工作，不但解決了此類溫度計量設備的溯源問題，保證了溫度計量的量值準確，也提高了工作效率，滿足了生產需求。