工業(yè)溫度現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置的研制

隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度的提高，工業(yè)生產(chǎn)公司對(duì)現(xiàn)場檢驗(yàn)的需求日益突出。現(xiàn)場測溫校準(zhǔn)裝置被越來越多地用于工業(yè)溫度現(xiàn)場校準(zhǔn)?，F(xiàn)場測溫校準(zhǔn)裝置基本上是實(shí)驗(yàn)室測溫校準(zhǔn)裝置的小型化,其工作原理和校準(zhǔn)方法與實(shí)驗(yàn)室溫度校準(zhǔn)基本相同,其主要特點(diǎn)是檢定設(shè)備小,便于攜帶。1現(xiàn)場測溫校準(zhǔn)裝置的搭建在工業(yè)現(xiàn)場使用的測溫傳感器和儀表種類繁多。其中工業(yè)用熱電偶的使用量更是突出。為了更好地在現(xiàn)場對(duì)工作用廉金屬熱電偶(K,N,E,J型)進(jìn)行測試和校準(zhǔn),搭建了現(xiàn)場測溫校準(zhǔn)裝置。便于根據(jù)用戶實(shí)際需要自由組合,做到既能減少儀器品種,又能節(jié)約開支,達(dá)到多用途的目的。1.1空氣儀器生產(chǎn)管理系統(tǒng)本現(xiàn)場測溫校準(zhǔn)裝置由干井爐(也稱“干井式溫度校驗(yàn)器”)、計(jì)算機(jī)、二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)、一等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶(S型)、冰點(diǎn)器以及7位半或8位半的數(shù)字電壓表組成。目前干井爐已經(jīng)成為工業(yè)溫度校準(zhǔn)中最實(shí)用的工具。它以空氣作為校準(zhǔn)介質(zhì),體積小、重量輕。主要由以下幾部分構(gòu)成:爐體,恒溫均熱塊,控制調(diào)節(jié)器,控溫傳感器。根據(jù)需求選取了圖1所示兩臺(tái)干井爐,其生產(chǎn)商為ISOTECH公司。干井爐的主要參數(shù)如表1所示。作為現(xiàn)場校準(zhǔn)的干井爐,由于爐體的小型化,其工作區(qū)溫場性能顯著變差,為了改善檢定爐的溫場均勻性,爐芯采用金屬均熱塊。可根據(jù)用戶的不同需求,制作和選擇不同爐芯,以適應(yīng)現(xiàn)場復(fù)雜情況。為了在有限的時(shí)間內(nèi)校準(zhǔn)盡可能多的傳感器,在干井爐可移動(dòng)金屬均熱塊上鉆盡可能多的孔。并可以通過使用熱電偶自動(dòng)校準(zhǔn)軟件,構(gòu)成自動(dòng)檢定系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,以便提高效率。圖2和圖3為干井爐的部分金屬均熱塊橫截面示意圖。1.2系統(tǒng)間負(fù)載誤差的影響干井爐有直接和間接兩種校準(zhǔn)模式。直接校準(zhǔn)模式是將干井爐作為標(biāo)準(zhǔn)器;間接模式就是將干井爐作為等溫源,依賴于外部標(biāo)準(zhǔn)器作為標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)干井爐溫區(qū)內(nèi)的熱電偶數(shù)量增加或減少時(shí),會(huì)引起熱量的損失或增加,從而發(fā)生溫度梯度的變化,產(chǎn)生負(fù)載誤差。負(fù)載誤差的影響在采用間接校準(zhǔn)模式時(shí),比采用直接校準(zhǔn)模式要小很多。本現(xiàn)場測溫校準(zhǔn)裝置采用間接的校準(zhǔn)方法來實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)過程。用數(shù)字電壓表作為獲得標(biāo)準(zhǔn)器數(shù)據(jù)(電阻和電勢)的儀表,由計(jì)算機(jī)通過RS-232接口讀取和存儲(chǔ)所得的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。圖4和圖5為其校準(zhǔn)原理示意圖。根據(jù)被測單元的校準(zhǔn)溫度不同,選取不同的標(biāo)準(zhǔn)器來進(jìn)行校準(zhǔn)。在低溫時(shí)(420℃以下)采用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)器來進(jìn)行校準(zhǔn)(如圖4所示),在高溫時(shí)(420℃以上)采用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶作標(biāo)準(zhǔn)器來進(jìn)行校準(zhǔn)(如圖5所示)。2干井爐溫度試驗(yàn)研究由于本現(xiàn)場測溫校準(zhǔn)裝置的特性,主要取決于干井爐的特性。除了廠家給出的干井爐典型技術(shù)指標(biāo)外,還要獲得其它特性指標(biāo)。即干井爐的升降溫曲線、溫場溫度穩(wěn)定性、溫場溫度準(zhǔn)確度、溫場溫度均勻度、標(biāo)準(zhǔn)器不同插入深度的試驗(yàn)研究、供電電源的電壓波動(dòng)對(duì)干井爐的影響等。通過LabVIEW編寫干井爐的測試軟件,以便可以實(shí)時(shí)觀測和獲取干井爐的特性。2.1測試軟件的功能測試軟件包括系統(tǒng)配置、干井爐測試曲線及其顯示,以及對(duì)干井爐的溫度設(shè)置。2.1.1自動(dòng)存儲(chǔ)文件首先對(duì)干井爐和電壓表(這里使用了7081數(shù)字電壓表)的串口進(jìn)行通訊配置,以便計(jì)算機(jī)能夠讀取干井爐內(nèi)部溫度控制探頭的溫度,通過電壓表讀取標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的電阻值或讀取標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的電勢值。配置存儲(chǔ)文件的名稱,實(shí)現(xiàn)被測數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)在Excel文件中。Excel文件格式如表2所示。圖6為系統(tǒng)配置界面。2.1.2計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理干井爐測試曲線1中分別顯示干井爐的溫度和被測熱電偶或鉑電阻溫度計(jì)的溫度曲線(此溫度由干井爐內(nèi)部轉(zhuǎn)換得到,即直接校準(zhǔn)模式下的結(jié)果)。計(jì)算機(jī)每15s對(duì)數(shù)據(jù)采樣一次,同時(shí)在測試曲線上顯示采樣數(shù)據(jù)的數(shù)值。圖7為干井爐測試曲線1的顯示界面。2.1.3所測爐溫隨所測爐溫的變化而變化干井爐測試曲線2的圖中,縱坐標(biāo)(溫度)會(huì)根據(jù)所測爐溫的變化而變化,以便能更好觀測干井爐的溫度變化。圖8為干井爐測試曲線2的界面。2.1.4電阻值的讀取在420℃以下,干井爐測試曲線3顯示的是計(jì)算機(jī)通過電壓表讀取的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的電阻值;在420℃以上,干井爐測試曲線3顯示的是通過電壓表讀取的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的電勢值。2.1.5干井的溫度配置可以對(duì)干井爐的溫度進(jìn)行設(shè)置。通過RS-232接口,計(jì)算機(jī)可隨時(shí)讀取干井爐當(dāng)前的控制溫度,以便根據(jù)需要遠(yuǎn)程來改變干井爐的控制溫度。2.2測試軟件的各種程序框架圖圖9為干井爐測試軟件的部分程序框圖。3測試方法、結(jié)果和數(shù)據(jù)分析3.1升降溫時(shí)間的確定將標(biāo)準(zhǔn)器插入干井爐測試中心孔距底部5mm處,使溫度從要求的溫度點(diǎn)升溫或降溫至另一要求的溫度點(diǎn),所用時(shí)間即為升降溫時(shí)間。作為現(xiàn)場使用的測溫裝置,響應(yīng)要迅速。由表3可以看出,干井爐的升溫時(shí)間較快。干井爐如果要加速降溫,可通過使用快速冷卻探頭來完成。3.2干井溫場溫度穩(wěn)定性、精度和平整度的計(jì)算和結(jié)果3.2.1標(biāo)準(zhǔn)熱電阻值的確定將標(biāo)準(zhǔn)器插入干井爐測試中心孔距底部5mm處,升溫或降溫至設(shè)定溫度,干井爐穩(wěn)定后,每隔1min計(jì)算機(jī)讀取并記錄標(biāo)準(zhǔn)器的輸出值,共15次。在420℃以下溫場的溫度穩(wěn)定度按公式(1)計(jì)算Ta=±(Rmax?Rmin)2Rtpdw(t)dtΤa=±(Rmax-Rmin)2Rtpdw(t)dt(1)式中:Ta為溫度穩(wěn)定度,℃;Rmax為所測15組數(shù)據(jù)中標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的最大電阻值,Ω;Rmin為所測15組數(shù)據(jù)中標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的最小電阻值,Ω;Rtp為在水三相點(diǎn)的電阻值,Ω。dW(t)/dt為溫度電阻比系數(shù),1/℃。在420℃以上溫場的溫度穩(wěn)定度按公式(2)計(jì)算Ta=±(emax?emin)2SΤa=±(emax-emin)2S(2)式中:Ta為溫度穩(wěn)定度,℃;emax為所測15組數(shù)據(jù)中標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的最大電勢值,μV;emin為所測15組數(shù)據(jù)中標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的最小電勢值,μV;S為微分電動(dòng)勢,μV/℃。3.2.2標(biāo)準(zhǔn)電阻值的計(jì)算將標(biāo)準(zhǔn)器插入干井爐測試中心孔距底部5mm處,升溫或降溫至設(shè)定溫度,干井爐穩(wěn)定后,同時(shí)讀取并記錄測量標(biāo)準(zhǔn)器的輸出值和爐子顯示的溫度值,每分鐘記錄一次,共4次。在420℃以下溫場的溫度準(zhǔn)確度按公式(3)計(jì)算ΔTa=[RRtp?W(t)]/dW(t)dtΔΤa=[RRtp-W(t)]/dW(t)dt(3)式中:ΔTa為溫度準(zhǔn)確度,℃;R為所測4組數(shù)據(jù)中標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的平均電阻值,Ω;Rtp為在水三相點(diǎn)電阻值,Ω;W(t)為溫度電阻比;dW(t)/dt為溫度電阻比系數(shù),1/℃。在420℃以上溫場的溫度準(zhǔn)確度按公式(4)計(jì)算ΔTa=(Ts+ΔesS)?TdΔΤa=(Τs+ΔesS)-Τd(4)式中:ΔTa為溫度準(zhǔn)確度,℃;Ts為所測4組數(shù)據(jù)中標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的電勢值轉(zhuǎn)化成的溫度平均值,℃;Td為干井爐顯示溫度平均值,℃;Δes為標(biāo)準(zhǔn)器檢定證書上給出的修正值,μV;S為微分電動(dòng)勢,μV/℃。3.2.3溫場均勻度的計(jì)算將兩支標(biāo)準(zhǔn)器同時(shí)插入需要測試的兩測試孔中,升溫降溫至設(shè)定溫度,當(dāng)兩支標(biāo)準(zhǔn)器的示值穩(wěn)定后同時(shí)記錄兩支標(biāo)準(zhǔn)器示值,然后將兩支標(biāo)準(zhǔn)器交換位置,再按上述方法測量一次。更換不同的測試孔,得到所有測試孔的輸出值并記錄。在420℃以下溫場的溫度均勻度按公式(5)計(jì)算Tb=(Rai+Rbi)?(Raj+Rbj)2RtpdW(t)dtΤb=(Rai+Rbi)-(Raj+Rbj)2RtpdW(t)dt(5)式中:Tb為溫場均勻度之值,℃;Rai,Rbi,Raj,Rbj為在不同測試孔同時(shí)測得的a,b兩支標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的電阻值,Ω。Rtp為在水三相點(diǎn)瓶中測得的電阻值,Ω。dW(t)/dt為溫度電阻比系數(shù),1/℃。在420℃以上溫場的溫度均勻度按公式(6)計(jì)算Tb=(eai+ebi)?(eaj+ebj)2SΤb=(eai+ebi)-(eaj+ebj)2S(6)式中:Tb為溫場均勻度之值;eai,ebi,eaj,ebj為在不同測試孔同時(shí)測得的a,b兩支標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的電勢值,μV;S為微分電動(dòng)勢,μV/℃。3.2.4溫度、均勻度的測定利用該現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置,選取表4的校準(zhǔn)溫度點(diǎn)和金屬均熱塊,用上述3.2.1,3.2.2,3.2.3的數(shù)據(jù)處理方法,取其中最大值作為測試結(jié)果,如表5所示。由表5可知中溫、高溫爐干井爐溫場穩(wěn)定度最大值分別為±0.03℃,±0.1℃,溫場的穩(wěn)定性能較好。中溫爐準(zhǔn)確度最大為-1.4℃;高溫爐準(zhǔn)確度最大為-7.2℃;可以看出在高溫時(shí)溫場準(zhǔn)確度較差,這與高溫爐的溫度高達(dá)1100℃有關(guān)系。本測溫儀表現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置采用外部標(biāo)準(zhǔn)器作為標(biāo)準(zhǔn)的間接測量法,所以對(duì)于干體爐的準(zhǔn)確度指標(biāo)可以放寬。中溫爐均勻度最大為0.8℃;高溫爐均勻度最大為1.0℃;此處給出的值是所有勻熱塊插孔之間的最大值。在實(shí)際應(yīng)用時(shí),可選取兩插孔之間均勻度小的插孔使用。還可以通過改變加工均熱塊,來改變所配的勻熱塊的導(dǎo)熱均勻性。3.3標(biāo)準(zhǔn)器插入干井爐不同深度時(shí),標(biāo)準(zhǔn)器接入干井爐的溫場準(zhǔn)確度在考慮用干井爐校準(zhǔn)溫度傳感器時(shí),傳感器的插入深度也是要考慮的。在理想情況下,所有溫度傳感器應(yīng)具有相同的尺寸和深度。實(shí)際的情況并不是這樣。表6給出了標(biāo)準(zhǔn)器插入干井爐不同深度時(shí),對(duì)溫場準(zhǔn)確度的影響。由表6可以看出,標(biāo)準(zhǔn)器插入干井爐不同深度時(shí),所得溫場的準(zhǔn)確度是不同的。在使用測量裝置時(shí),把標(biāo)準(zhǔn)探頭和測試探頭以相同的深度插入到金屬勻熱塊的孔中,以確保在勻熱塊中的探頭,盡可能的以相同方式感測溫場的熱性能。3.4供電電源測試結(jié)果在工作現(xiàn)場,供電電源出現(xiàn)變化的情況時(shí)有發(fā)生,所以供電電源的波動(dòng)對(duì)干井爐是否有影響,這里也做了一些探究。測試結(jié)果如表7所示。由測試數(shù)據(jù)可知,在市電供電電壓波動(dòng)10%時(shí),對(duì)干井爐溫場穩(wěn)定性的影響不大。4在干井爐中的應(yīng)用