/ 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

溫度校驗(yàn)爐通過內(nèi)置均溫塊的均溫作用來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)備無法對(duì)該類熱電偶進(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，即爐膛周圍只有一個(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(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法適用于整個(gè)溫度段的要求。而且這種設(shè)計(jì)所帶來的另一個(gè)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(zhǔn)爐都沒有提供垂直溫場(chǎng)，而垂直溫場(chǎng)帶來的不確定度是溫度校準(zhǔn)結(jié)果不確定度的主要來源。

對(duì)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(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)來實(shí)現(xiàn)所要求的技術(shù)指標(biāo)就沒有成功的可能性。

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)來說多段式控溫技術(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，以及外界干擾通路與測(cè)量部分隔開。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關(guān)電源+阻容濾波+線性電源的多級(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

本套裝置是通過不斷地實(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。