热处理厂测温系统的整体校准与实施

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简述热处理厂用热电偶分立元件法检定的弊端，详细说明整体在线校准的特点及实施方案，建议采用带校准孔的新型热电偶，随时可对测温系统进行整体在线校准或监督性校验，简便易行。

⒈ 前言
当前热处理技术的发展，主要体现在清洁、精密、节能及可控气氛热处理等诸多方面。所谓精密热处理，就是要严格控制热处理产品质量。欲控制产品质量，必须通过精密的传感器与控制系统来实现。在热加工技术中最主要的是温度传感器及氧传感器。
为了确保温度量值的准确可靠，对热电偶等测温元件进行定期或不定期的检定或校准是必要的。本文将重点探讨热处理行业中温度测量系统的整体在线校准与实施。

⒉ 测温系统的分立元件检定法
目前，国内仅有热电偶、补偿导线及仪表各自的检定规程，但是，没有热电偶高温计等测温系统的检定规程。因此，对于测温系统的检定，只能采用分立元件法，即对构成测温系统的元件及仪表分别进行检定。此种检定方法是离线的，而且，不能对测温系统进行在线整体检定。这种离线式分立元件检定法存在如下弊端。
1）热电偶丝不均质影响
① 热电偶丝材本身不均质：热电偶在计量室检定时，插入检定炉内的深度只有300mm。因此每支热电偶的检定结果，确切的说只能体现或主要体现出从测量端开始300mm长偶丝的热电行为，然而，当热电偶的长度较长，使用时大部分偶丝又处于高温区。如果热电偶丝并非均质，并处于具有温度梯度的场合，那么其局部将产生热电动势，该电动势称为寄生电势，由寄生电势引起的误差称为不均质误差。
② 热电偶丝经使用后产生的不均质：例如：插入工业炉中的热电偶，将沿偶丝长度方向发生劣化，并随温度增高，劣化增强，当劣化的部分处于具有温度梯度的场所，也将产生寄生电动势叠加在总电动势中而产生测量误差。
2）铠装热电偶的分流误差
① 分流误差：用铠装热电偶测量炉温时，当热电偶中间部位的温度有超过800℃的温度分布存在时，因其绝缘电阻下降，热电偶示值出现异常的现象，称为分流误差。由于铠装热电偶的绝缘物是粉末状MgO ，当温度超过800℃。其绝缘电阻呈指数降低，当中间部位温度较高时，必定有漏电流产生，致使热电偶产生分流误差。
由上述讨论可以看出，分立元件检定法有诸多弊端，本来检定合格的产品，在使用中却有可能不合格，因此，建议最好采用整体在线校准法。

⒊ 测温系统整体在线校准
以热电偶为传感器的测温系统的检定，按照现行标准，只能采用分立元件法。由误差理论可知，这三者检定都合格，组合起来并不一定合格。因此，作者建议采用整体在线校准。即在计量室对其测温系统进行检定，求出整个系统的测温误差，而且最好能在线校准。为此必须提供标准器，既要有相对准确的在线校准仪，同被测系统用现场实际使用的工业炉作为比较热源，进行在线校准。因此，首先要有相对准确的热电偶高温计。该温度计事先要经过计量部门检定，提供校准证书，用这种带有校准证书的温度计，就可以对被测系统进行现场校准。
⒊⒈便携式在线校准仪的研制
目前市场上广泛流行的数字温度计精度低，不能用作现场校准仪。作为校准仪，不仅准确度要高，而且，其准确度应经国家质检部门确认，并带有校准证书。
1）工作用在线校准仪的开发便携式在线温度校准仪是由特种热电偶保护管、铠装热电偶（K型）、测温枪及数字显示仪组成，其特点是：使用寿命长，准确度高。作者通过对其元件及仪表进行精选，以达到最佳组合。
① 选取I级K型铠装热电偶，并尽可能接近标准值
② 选取精密级延伸型补偿导线。
③ 选取高精度数显仪表，在0～1300℃内达0.2级。
2）溯源与校准精选后组合的本校准仪经过辽宁省计量院校准，结果表明便携式在线温度校准仪的准确度均在0.4级以内，而且，还可达0.2级。用作现场校准是可行的。
3）工作用在线校准仪的应用自2002年起作者开发的校准仪已有50台用于现场测温系统的校准。
⒊⒉ 分立元件检定与整体校准法的比较
1）分立元件检定分立元件检定法，对于测温系统的检定，即分别对热电偶、补偿导线及仪表进行检定，该系统的误差为：
= （1）
式中 △1—热电偶的极限误差
△2—补偿导线的极限误差
△3—仪表的极限误差
如果采用K型热电偶，精度为Ⅱ级，取温度点为1000℃，误差为 7.5℃；补偿导线为B级，误差为 2.5℃；数显仪表的精度为0.5级，误差为 5℃。将上述误差代入（1）式：
= =
综上所述，如采用分立元件法检定热处理行业用测温系统的误差为 9.35℃，无法满足工艺要求。有的工厂购入的热电偶不检定就直接使用，分散性更大，所测数据不可靠。不能用于指导生产。
2）整体校准法
① 校准精度高：作者开发的便携式校准仪，其整体校准精度在0.4级以内，有的可达0.2级。由此可以看出整体校准法的精度远远优于分立元件检定法。依据误差理论，只有采用作者研制的在线校准仪，才有可能满足Ⅱ类热处理炉有效加热区保温精度为 ℃的要求。因此，该种校准仪颇受用户欢迎。
② 按用户要求校准特定的温度点，可以进一步提高校准精度。
③ 整体校准的系统误差可以修正。

⒋整体在线校准与实施
由上述讨论可知，整体在线校准在理论上具有明显优势。但对于密闭或真空体系，如果未预留校准孔也无法实施整体在线校准，为此，作者开发出带有校准孔的热电偶，为实施在线校准提供方便。
1) 带校准孔热电偶
针对上述情况，作者开发出带有校准孔的热电偶。有如下多种型号：
① 种类
有S、R、B、K、N、E、J、T、C（WRe 5/26）等。
② 结构
带校准孔的热电偶为专利产品，它是由接线盒、保护管、校准孔、热电偶、接线板等组成。在保留特殊场合专用热电偶特性的基础上，在保护管内留有供校准、监测用的孔，其位置在保护管的中心线上或一侧，分别定型为Y型和X型。
新型热电偶外保护管为刚玉质的S型热电偶结构示意如图1、图2
a）校准孔在保护管中心（Y型）；
b）校准孔在保护管一侧（X型）；

图1 带有温度校准、监测孔S型热电偶（Y型）图2 带有温度校准、监测孔的接线板
1-接线盒，2-保护管，3-校准、监测孔，4-热电偶

新型热电偶外保护管为金属管的K型热电偶结构示意如图3、图4
a）校准孔在保护管中心（Y型）；
b）校准孔在保护管一侧（X型）；

图3 带有温度校准、监测孔K型热电偶（Y型）图4 带有温度校准、监测孔热电偶接线板

2) 采用带校准孔热电偶进行在线校准的优点。
① 校准与被校热电偶处于相同环境，准确度高。
② 既可以校准，又可用于监测；既可以对测温系统进行校准，又可对热电偶单独进行校准。

⒌结语
随着热处理技术的发展，必然要求对其测温系统及元件提出更高、更严格要求。便携式在线校准仪及带校准孔的热电偶便应运而生，为热处理行业服务，为提高热处理行业测温精度，作出力所能及的贡献。

2011/8/26 9:33:56