/ 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

溫度校驗(yàn)爐通過(guò)內(nèi)置均溫塊的均溫作用來(lái)保證插入均溫塊的被校溫度計(jì)與參考標(biāo)準(zhǔn)溫度保持一致。其使用越來(lái)越廣泛，是生物、遺傳、病毒、水產(chǎn)、環(huán)保、醫(yī)藥、衛(wèi)生、生化實(shí)驗(yàn)室、分析室、教育科研等領(lǐng)域的必備工具。隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度的不斷提高，工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的需求日顯突出。溫度校驗(yàn)爐方便攜帶，操作簡(jiǎn)單，多用于溫度傳感器的現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量[1]。

目前石油用開(kāi)口/閉口閃點(diǎn)測(cè)定儀、自動(dòng)蒸餾儀、冷凝儀、空調(diào)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)室及車(chē)間環(huán)境溫度檢測(cè)系統(tǒng)，甚至包括飛機(jī)、船舶、核電項(xiàng)目都有使用短支熱電偶，而現(xiàn)有設(shè)備無(wú)法對(duì)該類(lèi)熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)。新研制的短支熱電偶溫度校驗(yàn)爐，插入深度75 mm，測(cè)溫范圍 300～ 800 ℃，溫度波動(dòng)度 ±0.1 ℃，孔間溫差0.2 ℃，軸向均勻性0.6～1.5 ℃，可以滿(mǎn)足對(duì)短支熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)的要求[2]。

1 裝置工作原理及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 工作原理

研制的短支熱電偶溫度校驗(yàn)爐采用雙端加熱及控溫模式，兩套系統(tǒng)相互聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)爐體底部40 mm的有效溫場(chǎng)，同時(shí)監(jiān)測(cè)底部及爐口溫度，實(shí)時(shí)控制溫度輸出及加熱功率[3-4]。校驗(yàn)爐由兩套控溫?zé)犭娕己蛿?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?zé)犭娕迹ㄏ拢┍O(jiān)測(cè)，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(nèi)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(nèi)均溫塊的孔間溫差。為減小校驗(yàn)爐爐口對(duì)外傳熱的影響，在校驗(yàn)爐爐口位置設(shè)置了輔助加熱器。通過(guò)控溫?zé)犭娕迹ㄉ希┍O(jiān)測(cè)校驗(yàn)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(jìn)一步提高校驗(yàn)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(shù)

傳統(tǒng)的高溫校準(zhǔn)爐多采用單段控溫，即爐膛周?chē)挥幸粋€(gè)加熱器，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，成本比較低，在使用要求較低的領(lǐng)域有其存在的合理性。從保證垂直溫場(chǎng)均勻性的角度考慮，這種設(shè)計(jì)所采用的方法往往是通過(guò)改變加熱器加熱絲排列的疏密來(lái)使加熱器的加熱密度沿軸向方向有所差異，試圖對(duì)軸向溫度梯度進(jìn)行一定程度的補(bǔ)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(dǎo)地位的熱傳導(dǎo)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(duì)軸向溫度梯度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞綗o(wú)法適用于整個(gè)溫度段的要求。而且這種設(shè)計(jì)所帶來(lái)的另一個(gè)主要問(wèn)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(zhǔn)爐都沒(méi)有提供垂直溫場(chǎng)，而垂直溫場(chǎng)帶來(lái)的不確定度是溫度校準(zhǔn)結(jié)果不確定度的主要來(lái)源。

對(duì)于短支熱電偶檢定爐來(lái)說(shuō)，由于插入深度大大淺于現(xiàn)有的溫度校準(zhǔn)爐，從保證垂直溫場(chǎng)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(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)所要求的技術(shù)指標(biāo)就沒(méi)有成功的可能性。

為實(shí)現(xiàn)全溫度范圍內(nèi)的均勻溫場(chǎng)，研制的短支熱電偶溫度校驗(yàn)爐中加熱器采用多段式控溫設(shè)計(jì)，如圖2所示，對(duì)于每一段獨(dú)立的加熱器都有一個(gè)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(hào)被送到控制器的獨(dú)立信號(hào)采樣通道進(jìn)行實(shí)時(shí)的采樣檢測(cè)，采樣信號(hào)被送到CPU中參與運(yùn)算和處理并輸出一個(gè)代表加熱功率的占空比信號(hào)送到此段加熱器在控制板上的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電路上經(jīng)隔離、放大等環(huán)節(jié)，最后送到此段加熱器上以產(chǎn)生所需要的溫度輸出。因此，從本質(zhì)來(lái)說(shuō)多段式控溫技術(shù)是采用多個(gè)閉環(huán)控制環(huán)路進(jìn)行溫度控制，而且針對(duì)不同溫度段的傳熱特點(diǎn)有針對(duì)性進(jìn)行算法補(bǔ)償來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)分段溫場(chǎng)可調(diào)功能，以補(bǔ)償不同溫度段下由于熱傳導(dǎo)特性差異引起的溫度場(chǎng)變化。為保證該校準(zhǔn)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(cè)量控制電路技術(shù)

在微弱傳感器輸出信號(hào)檢測(cè)中，器件的熱噪聲、1/f噪聲等各種噪聲相對(duì)于信號(hào)本身具有很大的影響，甚至淹沒(méi)信號(hào)本身，所以在微弱信號(hào)采集裝置中，應(yīng)當(dāng)對(duì)噪聲問(wèn)題進(jìn)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(yàn)爐用以下措施改善信號(hào)噪聲性能：選用低噪聲的運(yùn)算放大器、儀表放大器等器件，對(duì)器件的電壓噪聲、電流噪聲、共模抑制比等參數(shù)做有針對(duì)性的取舍，合理配置放大電路的增益、帶寬等參數(shù)，對(duì)整個(gè)信號(hào)調(diào)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(yàn)爐結(jié)構(gòu)

1.4 控溫系統(tǒng)的微弱信號(hào)的抗干擾技術(shù)

微弱傳感器信號(hào)極易受到外界電磁干擾，新研制的校驗(yàn)爐在模擬濾波、供電方式、數(shù)據(jù)傳輸方式和整機(jī)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(jī)箱及其內(nèi)部設(shè)計(jì)將充分考慮對(duì)微弱信號(hào)采集電路的屏蔽性能。

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

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(gè)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(shè)計(jì)中確保微弱信號(hào)回路的最小回路面積，減輕射頻電磁場(chǎng)的耦合。

5）模擬電路部分的供電采用開(kāi)關(guān)電源+阻容濾波+線(xiàn)性電源的多級(jí)結(jié)構(gòu)，以減弱從電源端引入的干擾[11-12]。

經(jīng)實(shí)際測(cè)試，采用上述設(shè)計(jì)的電路的總體噪聲水平達(dá)到了1 μV（峰峰值），取得了良好的效果。

2 測(cè)試比對(duì)方案及測(cè)試結(jié)果討論

2.1 測(cè)試比對(duì)方案

實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(yàn)爐及常規(guī)的溫度檢定爐內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。兩種情況的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)評(píng)估來(lái)確定方法的可行性[10]。

因熱電偶的重復(fù)性及允許誤差大，故選擇單一傳遞樣品將對(duì)比較試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大影響。故本次試驗(yàn)選用一卷（200 m）的一級(jí)K型熱電偶作為比對(duì)樣品。在實(shí)驗(yàn)前對(duì)被校熱電偶的前端及末端進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)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(yàn)爐中進(jìn)行校準(zhǔn)。參照J(rèn)JF 1637-2017《廉金屬熱電偶》校準(zhǔn)規(guī)范方法進(jìn)行校準(zhǔn)，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)比對(duì)表

由表1得：兩次試驗(yàn)結(jié)果最大差值：0.2 ℃。滿(mǎn)足比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估。

2.2 校準(zhǔn)短支熱電偶測(cè)量不確定度評(píng)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(biāo)準(zhǔn)S型熱電偶套上保護(hù)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(yàn)爐的均溫塊底部，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和被校熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)。

2.2.1 測(cè)量模型

式中：e被（t）—— 被測(cè)熱電偶在需測(cè)量溫度點(diǎn)t的熱電動(dòng)勢(shì)；

e被（t'）—— 被測(cè)熱電偶在測(cè)量時(shí)(溫度為t')的熱電動(dòng)勢(shì)；

E標(biāo)（t）—— 標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在需測(cè)量溫度點(diǎn)t的分度值；

e標(biāo)（t'）—— 標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在測(cè)量時(shí)(溫度為t')的熱電動(dòng)勢(shì)；

S標(biāo)（t）、S被（t）—— 分別為標(biāo)準(zhǔn)、被測(cè)熱電偶在需測(cè)量點(diǎn)溫度t的微分熱電動(dòng)勢(shì)

2.2.2 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

表2 不確定度匯總表

2.2.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算

800 ℃時(shí)，合成不確定度uc= 23.10 μV

2.2.4 擴(kuò)展不確定度的評(píng)定

取置信概率p= 95%時(shí)，干體爐測(cè)量的擴(kuò)展不確定度為

U= 2×46.2 μV，k= 2，相當(dāng)于 1.1 ℃。

3 結(jié)語(yǔ)

本套裝置是通過(guò)不斷地實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)短支熱電偶溫度校驗(yàn)爐的設(shè)計(jì)進(jìn)行不斷地修改和完善，使其控溫準(zhǔn)確度高，升降溫速度快，溫度波動(dòng)度小，溫場(chǎng)均勻性好，操作系統(tǒng)簡(jiǎn)單易學(xué)，為校準(zhǔn)短支高溫廉金屬熱電偶提供了恒溫設(shè)備。實(shí)驗(yàn)證明，這套裝置確實(shí)可解決短支熱電偶的校準(zhǔn)難題，滿(mǎn)足日益增多的短支熱電偶的溯源需求。但是在一些細(xì)節(jié)方面如其外觀設(shè)計(jì)、PID控制、目標(biāo)溫度平衡時(shí)間、試驗(yàn)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(jìn)一步完善。