短支熱電偶溫度校驗爐的研制

/ 上海市計量測試技術研究院

0 引言

溫度校驗爐通過內置均溫塊的均溫作用來保證插入均溫塊的被校溫度計與參考標準溫度保持一致。其使用越來越廣泛，是生物、遺傳、病毒、水產、環(huán)保、醫(yī)藥、衛(wèi)生、生化實驗室、分析室、教育科研等領域的必備工具。隨著工業(yè)生產自動化程度的不斷提高，工業(yè)生產企業(yè)對現(xiàn)場校準的需求日顯突出。溫度校驗爐方便攜帶，操作簡單，多用于溫度傳感器的現(xiàn)場計量[1]。

目前石油用開口/閉口閃點測定儀、自動蒸餾儀、冷凝儀、空調實驗平臺、實驗室及車間環(huán)境溫度檢測系統(tǒng)，甚至包括飛機、船舶、核電項目都有使用短支熱電偶，而現(xiàn)有設備無法對該類熱電偶進行校準。新研制的短支熱電偶溫度校驗爐，插入深度75 mm，測溫范圍 300～ 800 ℃，溫度波動度 ±0.1 ℃，孔間溫差0.2 ℃，軸向均勻性0.6～1.5 ℃，可以滿足對短支熱電偶進行校準的要求[2]。

1 裝置工作原理及關鍵技術

1.1 工作原理

研制的短支熱電偶溫度校驗爐采用雙端加熱及控溫模式，兩套系統(tǒng)相互聯(lián)系，實現(xiàn)爐體底部40 mm的有效溫場，同時監(jiān)測底部及爐口溫度，實時控制溫度輸出及加熱功率[3-4]。校驗爐由兩套控溫熱電偶和數(shù)字溫度控制儀控制工作溫度，如圖1所示。底部溫度由控溫熱電偶（下）監(jiān)測，再由數(shù)字溫控儀（下）控制輸出及底部加熱器的加熱功率，以控制爐管內的工作溫度，加熱絲均勻地布置在爐體底部區(qū)域，以控制爐體內均溫塊的孔間溫差。為減小校驗爐爐口對外傳熱的影響，在校驗爐爐口位置設置了輔助加熱器。通過控溫熱電偶（上）監(jiān)測校驗爐爐口位置的工作溫度，然后由數(shù)字溫控儀（上）控制輸出及加熱功率，控制爐口位置的溫度，從而進一步提高校驗爐工作區(qū)域軸向的溫度均勻性[5-6]。

圖1 系統(tǒng)示意圖

1.2 雙段式加熱溫控技術

傳統(tǒng)的高溫校準爐多采用單段控溫，即爐膛周圍只有一個加熱器，結構較為簡單，成本比較低，在使用要求較低的領域有其存在的合理性。從保證垂直溫場均勻性的角度考慮，這種設計所采用的方法往往是通過改變加熱器加熱絲排列的疏密來使加熱器的加熱密度沿軸向方向有所差異，試圖對軸向溫度梯度進行一定程度的補償。然而由于熱電偶檢定爐的輸出溫度范圍通常比較寬，而在低溫、中溫和高溫段所占據(jù)主導地位的熱傳導方式并不相同，所以采用這種改變加熱絲排列的疏密程度對軸向溫度梯度進行補償?shù)姆绞綗o法適用于整個溫度段的要求。而且這種設計所帶來的另一個主要問題是輸出溫度和溫度均勻度很容易受環(huán)境溫度變化的影響。因此，現(xiàn)有的絕大多數(shù)溫度校準爐都沒有提供垂直溫場，而垂直溫場帶來的不確定度是溫度校準結果不確定度的主要來源。

對于短支熱電偶檢定爐來說，由于插入深度大大淺于現(xiàn)有的溫度校準爐，從保證垂直溫場的均勻度而言就更加的困難[7]。因此，如果使用傳統(tǒng)的單段式控溫技術來實現(xiàn)所要求的技術指標就沒有成功的可能性。

為實現(xiàn)全溫度范圍內的均勻溫場，研制的短支熱電偶溫度校驗爐中加熱器采用多段式控溫設計，如圖2所示，對于每一段獨立的加熱器都有一個溫度傳感器安裝到靠近的位置，此段加熱器輸出的溫度信號被送到控制器的獨立信號采樣通道進行實時的采樣檢測，采樣信號被送到CPU中參與運算和處理并輸出一個代表加熱功率的占空比信號送到此段加熱器在控制板上的獨立驅動電路上經隔離、放大等環(huán)節(jié)，最后送到此段加熱器上以產生所需要的溫度輸出。因此，從本質來說多段式控溫技術是采用多個閉環(huán)控制環(huán)路進行溫度控制，而且針對不同溫度段的傳熱特點有針對性進行算法補償來實現(xiàn)全溫區(qū)的控制精度和軸向的溫度均勻度。這就可以實現(xiàn)分段溫場可調功能，以補償不同溫度段下由于熱傳導特性差異引起的溫度場變化。為保證該校準爐可靠性，加熱器需采用高溫抗氧化性能好的加熱絲繞制。共三組加熱絲，功率1 500 W，保溫方式采用陶瓷纖維包裹加熱器，上下孔放置耐火磚插塊。

1.3 高精度低噪聲模擬測量控制電路技術

在微弱傳感器輸出信號檢測中，器件的熱噪聲、1/f噪聲等各種噪聲相對于信號本身具有很大的影響，甚至淹沒信號本身，所以在微弱信號采集裝置中，應當對噪聲問題進行系統(tǒng)的研究，采取降低噪聲的措施。研制的短支熱電偶溫度校驗爐用以下措施改善信號噪聲性能：選用低噪聲的運算放大器、儀表放大器等器件，對器件的電壓噪聲、電流噪聲、共模抑制比等參數(shù)做有針對性的取舍，合理配置放大電路的增益、帶寬等參數(shù)，對整個信號調理電路的低噪聲性能做出優(yōu)化[8-9]。

圖2 短支熱電偶溫度校驗爐結構

1.4 控溫系統(tǒng)的微弱信號的抗干擾技術

微弱傳感器信號極易受到外界電磁干擾，新研制的校驗爐在模擬濾波、供電方式、數(shù)據(jù)傳輸方式和整機集成方式等多方面采取措施，減輕外界電磁干擾的影響[10]，具體包括以下措施。

1）機箱及其內部設計將充分考慮對微弱信號采集電路的屏蔽性能。

2）微弱信號采集部分的電路采取完全隔離的設計方式，包括電源隔離、信號隔離，這樣可以確保功率驅動部分與測量部分分開，以及外界干擾通路與測量部分隔開。所用的電源隔離與信號隔離期間，均選取了具有高隔離阻抗、低分布電容的型號。

3）熱電偶的數(shù)據(jù)端串聯(lián)有磁珠，并且并聯(lián)有數(shù)個不同容值的陶瓷電容，以吸收各種頻率成分的射頻干擾。

4）PCB設計中確保微弱信號回路的最小回路面積，減輕射頻電磁場的耦合。

5）模擬電路部分的供電采用開關電源+阻容濾波+線性電源的多級結構，以減弱從電源端引入的干擾[11-12]。

經實際測試，采用上述設計的電路的總體噪聲水平達到了1 μV（峰峰值），取得了良好的效果。

2 測試比對方案及測試結果討論

2.1 測試比對方案

實驗時，須有一根性能穩(wěn)定的傳遞樣品，分別在短支熱電偶溫度校驗爐及常規(guī)的溫度檢定爐內進行試驗。兩種情況的實驗數(shù)據(jù)進行比對評估來確定方法的可行性[10]。

因熱電偶的重復性及允許誤差大，故選擇單一傳遞樣品將對比較試驗數(shù)據(jù)產生較大影響。故本次試驗選用一卷（200 m）的一級K型熱電偶作為比對樣品。在實驗前對被校熱電偶的前端及末端進行校準，校準結果一致。

選取 1 000 mm、150 mm 被校熱電偶，分別在常規(guī)溫度檢定爐、短支熱電偶溫度校驗爐中進行校準。參照JJF 1637-2017《廉金屬熱電偶》校準規(guī)范方法進行校準，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)比對表

由表1得：兩次試驗結果最大差值：0.2 ℃。滿足比對試驗結果評估。

2.2 校準短支熱電偶測量不確定度評定

采用比較法中的雙極法，在管式爐中放置金屬均溫塊，將二等標準S型熱電偶套上保護套管，與套上絕緣瓷珠的被校熱電偶一起插入至短支熱電偶溫度校驗爐的均溫塊底部，測量標準熱電偶和被校熱電偶的熱電動勢。

2.2.1 測量模型

式中：e被（t）—— 被測熱電偶在需測量溫度點t的熱電動勢；

e被（t'）—— 被測熱電偶在測量時(溫度為t')的熱電動勢；

E標（t）—— 標準熱電偶在需測量溫度點t的分度值；

e標（t'）—— 標準熱電偶在測量時(溫度為t')的熱電動勢；

S標（t）、S被（t）—— 分別為標準、被測熱電偶在需測量點溫度t的微分熱電動勢

2.2.2 合成標準不確定度的評定

表2 不確定度匯總表

2.2.3 合成標準不確定度的計算

800 ℃時，合成不確定度uc= 23.10 μV

2.2.4 擴展不確定度的評定

取置信概率p= 95%時，干體爐測量的擴展不確定度為

U= 2×46.2 μV，k= 2，相當于 1.1 ℃。

3 結語

本套裝置是通過不斷地實驗，進而對短支熱電偶溫度校驗爐的設計進行不斷地修改和完善，使其控溫準確度高，升降溫速度快，溫度波動度小，溫場均勻性好，操作系統(tǒng)簡單易學，為校準短支高溫廉金屬熱電偶提供了恒溫設備。實驗證明，這套裝置確實可解決短支熱電偶的校準難題，滿足日益增多的短支熱電偶的溯源需求。但是在一些細節(jié)方面如其外觀設計、PID控制、目標溫度平衡時間、試驗樣本代表性不夠等方面還有不足之處，需要在以后工作中進一步完善。