热电偶检定炉的温度控制问题及分析
Some Problems and Analysis in Temperature Control of the Thermocouple
Calibrating Stove
□仝立公　Tong Ligong 陈顺德　Chen Shunde 吕中平　L üZhongping
【作者简介】仝立公,男,主要从事热工仪表检定工作。

工作单位:新疆计量测试研究所热工室。

通讯地址:830011新疆乌鲁木齐市北京南路40-9号。

陈顺德、吕中平,新疆计量测试研究所(乌鲁木齐830011)。

【摘要】通过建立热电偶检定炉控温的物理模型,分析了影响热电偶检定炉温场均匀性和稳定性的因素,并进一步探讨了消除这些因素的方法,为改进热电偶检定炉测试方法和生产工艺提供一些参考。

【关键词】热电偶检定炉　温场　稳定性　模型
【收稿时间】2002-03-11
现行的热电偶检定规程对检定炉的温场的均匀性、稳定性都有具体的要求。

但我们在对检定炉温场进行测试时却发现,现在普遍使用的卧式检定炉几乎都难以达到规程所规定的技术要求;即使是同一台检定炉,在不同时间的测试,其结果也有很大出入。

笔者曾与有关生产厂家有过联系,他们也表示难以解决这一问题,目前在做保温层的改进。

在此,笔者想就这一问题从原理及干扰因素方面加以探讨,以供大家参考。

1.物理模型
热力学定律指出:若两个系统各自与第三个系统处于热平衡,则他们之间也必然处于热平衡。

由此可知,存在着一个描述相互处于热平衡的各系统所共有的热力学状态的特性,该特性就叫做“温度”。

换
言之,一个系统的温度是决定该系
统是否与其他系统处于热平衡的条
件。

说到温度控制,我们所指的对象都是一个相对独立于环境的体系,而这一体系必定不是一个封闭体系,因为对于封闭体系(与外界既无物质又无能量交换)而言,温度控制是没有意义的。

因此,当该体系的温度与外界环境的温度不同时,必然发生热交换(对流、辐射、传导),所以,温度控制的实质应该是加热与散热的动态平衡。

对于热电偶检定炉而言,其温场温度变化与其热容量、加热量及散热量有关。

按一般意义上的控制理论,可以将其描述为以下模型:
根据能量平衡的原理,则:
ΔQi -ΔQs =A d Δ
T
dt
(1)
式中,t 为时间,下同。

在保温层一定情况下,检定炉
温度越高则散热量越大,ΔQs 与ΔT 有线性关系:
ΔQs =ΔT 9Qs
9T
(2)
代入(1)则:
ΔQi -ΔT 9Qs 9T =A d Δ
T
dt (3)
令:K 1=A 9Qs/9T K 2=
9T
9Qs 则整理后可得:
K 1d ΔT dt
+ΔT =K 2ΔQi
(4)
式中K 1为时间常数,K 2为温度
相对于散热量的放大系数。

据此,当加热功率Qi 发生阶跃性变化时,温度值T 对于时间t 的变化曲线如图2。

就是说,在一定温度范围内,加热功率发生阶跃性变化后,检定炉内温度经动态变化,可以自动在一新的温度达到稳态—自衡。

这一结论与实际的情况基本吻合:检定炉经过PID 调节,达到目标温度以后,其加热功率就只在某一数值附近小范围变动。

保温层的好坏,只是决定了其向外发散热量Qs 的出口开度,与稳定度无直接关系。

2.干扰因素及消除2.1对输入量Qi 的干扰
首先,温度测量电路及控制电路的稳定性对输入量Qi 的变化有着直接的影响,在相关的检定规程中,对检定所使用的供电电源并未
(下转第28页)
■计测技术
计量与测试技术・2002・№13
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误差。

由于试验机经过长期使用或安装等原因,往往会有变化。

如:连接刀子磨损会使R 变化,摆锤重W 变化,压杆角度改变使β变化等。

由于几何参数改变产生误差很明显,其误差规律可按上式来分析,但较难确定误差的产生的部位。

为此,试验机在检修过程,根据以上情况,如果误差超出允差,应予调修,其调修程序按以下几个方面进行:
(1)首先消除摩擦阻力产生的误差。

试验机在使用过程中,由于种种原因产生的摩擦阻力,使试验机示值超差。

这种误差是有规律的。

即正差一般发生在主体部分,负差一般发生在测力部分。

如试验机指针灵敏度摆动不灵活,指针每次回零位置都有变化,或摆锤位置不正常,摆杆对不准垂直标记等,都说明产生负误差。

这是由于①摆轴、轴承摩擦力较大,应进行拆卸清洗。

②齿杆的压片位置间隙是否合适,进行检查调整。

③缓冲阀的摩擦力是否过大,应进行拆除检查其灵敏度,以便分析清除。

(2)在摩擦力基本消除后,若试验机开机试机仍不合格,则应仔细检查试验机安装是否正确。

若不符合要求,则应按试验机的安装要求,逐项调校,达到标准。

(3)检查试验机各参数是否有变化。

如:试验机示值误差由正变负或由负变正,且无规律,则说明压杆倾角β有变化,应进行检修调整。

(4)据误差的规律性,也可用增铊或减铊配重加以消除。

以上为试验机使用过程中出现的误差情况和消除办法的小结,由于试验机的故障和产生部位很多,不同结构的试验机误差原因有所不同,所以我们将在今后的工作中,对试验机产生的误差,应进行综合分析,而不能只采取增减铊重配重的单一办法消除误差。

如何正确分析和判断试验机误差产生的原因和部位,并加以消除解决和寻求新的办法,将有待于我们计量检测人员共同研究探索和学习提高。

■(上接第19页)提出相关要求。

但对于现有的检定炉温度控制系统,
其加热功率的调节大都基于可控硅
的导通角改变或固态继电器的通断时间(占空比或时间比),这样,当供电电压发生波动时,必然使加热功率Qi 发生波动,从而使检定炉温场发生波动。

要消除这一干扰因素,可以在控制电路中加装前馈控制电路,而简单的办法就是使用稳压电源,这样就能较好的排除这一因素。

其次,测温元件及电路的稳定性也对温度的稳定性有直接的关联,当测温元件及电路发生数值漂移时,会使控温系统误认为温度发生变化,必然导致控温系统改变加热功率。

因此,控温热电偶和采样数表的稳定性必须要好。

同样,转换开关及辅助电路的稳定性也相当重要。

2.2对散热量Qs 的干扰
环境温度对于检定炉的散热量有着很大的影响,散热量Qs 的大小事实上与炉内温度(T )和环境温度(T 0)之差成正比(图3):
ΔQs =Δ(T -T 0)
9Qs
9(T -T 0)
(5)环境温度的波动直接影响到散
热量的变化。

检定炉在工作时,必然会使其所在的室内环境温度趋于上升,加上室外温度的变化及周围空气的对流使得T 0的变化无从考察,如果仅依靠控温电路的PID 调节跟随,难以有很好的效果。

因此笔者建议,在检定规程及检定炉的测试规范中加入对环境等条件的要求,只有这样检定炉的温场测试才具有可比性及意义。

我们把检定炉安置在环境温度相对稳定、无强对流室内,对检定炉进行测试,效果很好。

而英国德鲁克公司生产的便携式检定炉,则是将炉体改为立式,并通过在炉体底部加装风扇,不但使检定炉体的散热模型变的规范,而且由于其表面空气按一定方向强制流动,也很好的
减小了环境温度不规则变化的影响量。

3.关于检定炉温场的均匀性
检定炉温场的稳定性是均匀性的前提,只有解决了稳定性,才能考虑均匀性的问题,有几点看法供同行参考:
首先,现有的检定炉内管为陶瓷等材料,本身就是热的不良导体,而空气的导热性同样不好,因此,在内部加装金属均热体是非常必要的,其大小及结构应尽量合理,最好能将其嵌套在内管中,以不影响热电偶的插取及检定为宜。

其次,卧式检定炉内部和外部的热空气都自下而上的流动,其内部温场在水平及垂直两个方向上都表现为有明显的梯度,如果能改为立式检定炉,则炉内温场在水平方向一致性就会有较大改善。

同时也防止了热电偶由于捆扎不牢,在检定过程中移出的情况。

最后,保温层要与检定炉功率相适应,不是越厚越好,在保证安全性的前提下,就尽量做到均匀一致。

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■计测技术
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计量与测试技术・2002・№13。