箱式電阻爐校準(zhǔn)修正方法和不確定度評(píng)定方法探討

(北京航空航天大學(xué)可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院 北京 100191)

一、引言

隨著近年產(chǎn)品的不斷發(fā)展升級(jí)，對(duì)精密儀器測(cè)試的精準(zhǔn)度逐年提高,同時(shí)對(duì)產(chǎn)品校準(zhǔn)修正能力要求也相應(yīng)的提高。精密儀器的校準(zhǔn)修正的準(zhǔn)確度對(duì)武器裝備質(zhì)量的提高、科技人才的培養(yǎng)、國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

箱式電阻爐作為工業(yè)領(lǐng)域重要的熱處理儀器設(shè)備，具有升溫快，隔熱性好，使用安全，維修方便等優(yōu)點(diǎn)的加熱設(shè)備。其廣泛在企業(yè)車間用于合金鋼熱處理，物理化學(xué)分析等用途?；贘JF1376-2012箱式電阻爐校準(zhǔn)規(guī)范，針對(duì)箱式電阻爐校準(zhǔn)系統(tǒng)和測(cè)試項(xiàng)目，在誤差源分析基礎(chǔ)上，研究箱式電阻爐校準(zhǔn)系統(tǒng)主要誤差源-測(cè)試通道的校準(zhǔn)修正方法，以提高校準(zhǔn)精度。在研究中，我們必須對(duì)這些不確定度進(jìn)行分析，對(duì)不確定度的大小進(jìn)行合理的估計(jì)，努力減少實(shí)際測(cè)量中不確定度帶來(lái)的影響。建立爐溫均勻性、爐溫穩(wěn)定度、爐溫偏差和最大溫差的不確定度評(píng)估算法，以完善箱式電阻爐校準(zhǔn)系統(tǒng)。

二、箱式電阻爐及其校準(zhǔn)系統(tǒng)

(一)箱式電阻爐

箱式電阻爐是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能型周期作業(yè)電爐，主要用于金屬鍛壓前加熱、金屬熱處理加熱、釬焊、粉末冶金燒結(jié)、玻璃陶瓷焙燒和退火、低熔點(diǎn)金屬熔化、砂型和油漆膜層的干燥等熱處理之用。

箱式電阻爐主要由爐體和控制器組成，兩者既可自成獨(dú)立，也可組合為一體。爐體一般為臺(tái)式，由加熱元件、爐襯(包括耐火層和保溫層)以及爐殼組成，測(cè)溫?zé)犭娕贾糜谙涫诫娮锠t爐堂內(nèi)，用補(bǔ)償導(dǎo)線連接測(cè)溫?zé)犭娕己拖涫诫娮锠t溫度控制器。

(二)箱式電阻爐校準(zhǔn)系統(tǒng)

1.傳感器

熱電偶溫度計(jì)是溫度測(cè)量?jī)x表中常用的測(cè)溫元件，它可以直接測(cè)量出與溫度相對(duì)應(yīng)的熱電動(dòng)勢(shì)值，并通過(guò)電氣儀表將熱電動(dòng)勢(shì)值轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度值。熱電偶是一種無(wú)源傳感器，測(cè)量時(shí)無(wú)需外加電源，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、測(cè)量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳等許多優(yōu)點(diǎn)，使得熱電偶使用十分方便，應(yīng)用極為廣泛，N型熱電偶的特點(diǎn)是：線性度好，熱電動(dòng)勢(shì)較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，高溫抗氧化性能強(qiáng)，價(jià)格便宜，短期熱循環(huán)的復(fù)現(xiàn)性好，耐核輻照及耐低溫性能好，其綜合性能優(yōu)于K型熱電偶，適用于氧化性、惰性氣氛中，不適用于真空，含碳、含硫氣氛及還原與氧化交替的氣氛中。本校準(zhǔn)系統(tǒng)采用的溫度傳感器獨(dú)立測(cè)量單元是N型熱電偶，精度為Ⅱ級(jí)。

2.測(cè)試通道——高精度溫濕度測(cè)試系統(tǒng)

高精度溫濕度測(cè)試系統(tǒng)以高精度數(shù)據(jù)采集器為核心，采集通道為20通道，配備與采集模塊通訊和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)采集軟件，進(jìn)行溫度和濕度的現(xiàn)場(chǎng)采集。溫度補(bǔ)償導(dǎo)線用于消除室溫對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。通常前端與校準(zhǔn)用熱電偶相連接，后端與高精度溫度濕度測(cè)試儀相連接。校準(zhǔn)測(cè)試軟件通常是以開(kāi)發(fā)好校準(zhǔn)系統(tǒng)專用軟件，時(shí)刻顯示當(dāng)前箱式電阻爐爐內(nèi)溫度。

(三)校準(zhǔn)項(xiàng)目及其誤差源分析

1.校準(zhǔn)項(xiàng)目

(1)爐溫均勻度。箱式電阻爐在校準(zhǔn)溫度下，測(cè)溫區(qū)內(nèi)各溫度點(diǎn)上，測(cè)得的最高、最低實(shí)際溫度分別與中心點(diǎn)實(shí)際溫度之差。

(2)爐溫穩(wěn)定度。箱式電阻爐在校準(zhǔn)溫度下，中心點(diǎn)上測(cè)得的溫度最大、最小值分別與平均值之差。

(3)爐溫偏差。箱式電阻爐達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，測(cè)溫去在各個(gè)溫度點(diǎn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，測(cè)得的最高、最低實(shí)際溫度分別與標(biāo)稱溫度的偏差。

(4)爐內(nèi)最大誤差。箱式電阻爐在校準(zhǔn)溫度下，測(cè)溫區(qū)各溫度點(diǎn)，測(cè)得的最大值和最小值之差。

2.校準(zhǔn)項(xiàng)目誤差源分析

表1 校準(zhǔn)項(xiàng)目誤差來(lái)源及說(shuō)明

三、修正方法研究

(一)基于最小二乘法對(duì)測(cè)量通道的修正

1.最小二乘法的概述

最小二乘法是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化方法，它通過(guò)最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。利用最小二乘法可以簡(jiǎn)便地求得未知的數(shù)據(jù)，并使得這些求得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小。最小二乘法還可用于曲線擬合。最小二乘法是處理數(shù)據(jù)最常用的方法，具有精度高，便于誤差分析等優(yōu)點(diǎn)，研究選用最小二乘法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.數(shù)據(jù)的采集

校準(zhǔn)前將檢測(cè)熱電偶測(cè)量端固定在測(cè)溫架各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的位置上，做好標(biāo)記。然后將測(cè)溫架裝入爐內(nèi)，熱電偶參考段引出爐外。依標(biāo)記的序號(hào)分別通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)與測(cè)量?jī)x器相連接。關(guān)閉爐門(mén)，通電升溫，將箱式電阻爐的控溫儀表按需要設(shè)定的溫度值。

校準(zhǔn)箱式電阻爐檢測(cè)溫度點(diǎn)可以選擇實(shí)際的常用溫度，也可選擇箱式爐的最低工作溫度和最高工作溫度。當(dāng)爐溫達(dá)到校準(zhǔn)溫度，并處于熱穩(wěn)定狀態(tài)后開(kāi)始讀數(shù)。在30min內(nèi)，每隔2min記錄各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度1次，至少測(cè)量15次。每一次記錄各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度應(yīng)在1min內(nèi)完成。

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法二次數(shù)據(jù)擬合，得到誤差修正模型。

四、箱式電阻爐不確定度評(píng)估算法

(一)不確定度評(píng)定

用于合理表征被測(cè)量之值的分散性與測(cè)量結(jié)果相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，稱為不確定度。在實(shí)際測(cè)量工作中，測(cè)量需要得出測(cè)量結(jié)果，即被測(cè)量的數(shù)值，然后計(jì)算出測(cè)量結(jié)果的不確定度。

(二)箱式電阻爐不確定度評(píng)估算法

爐溫均勻性的不確定度評(píng)估算法：

以爐溫均勻性為例，討論箱式電阻爐爐溫均勻性Δθ，數(shù)學(xué)模型如下：

δΔθ=δt采+δt偶+δt重+δt參+δt波動(dòng)度

式中：δt采——測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果引入的影響量，℃；

δt偶—— 熱電偶測(cè)量結(jié)果引入的影響量，℃；

δt重——測(cè)量結(jié)果重復(fù)性引入的影響量，℃；

δt參——熱電偶參考端引入的影響量，℃；

δt波動(dòng)度——爐溫波動(dòng)度引入的影響量，℃。