熱電偶校準(zhǔn)通常是將二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶和被校熱電偶捆扎在一起，放入管式爐合格溫場中用比較法完成的。管式爐溫場一致性是保證校準(zhǔn)結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素。在JJF1637-2017《廉金屬熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范》和JJF1262-2010《鎧裝熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范》中，對(duì)管式爐軸向溫場和徑向溫場都有著明確的要求。為了更好地保證熱電偶校準(zhǔn)時(shí)的溫場一致性，規(guī)范中提出了均溫塊的概念，以改善爐溫性能。但在實(shí)際工作中，由于校準(zhǔn)人員的重視程度不足，均溫塊的使用沒有得到很好的推廣。本文通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，證明均溫塊對(duì)熱電偶校準(zhǔn)質(zhì)量的重要影響，并對(duì)其在實(shí)際工作中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

1、均溫塊的結(jié)構(gòu)
       熱電偶管式爐均溫塊是采用高溫合金材料(一般為鎳鉻合金)制作而成的均溫裝置，主要用來在廉金屬熱電偶(特別是鎧裝廉金屬熱電偶)校準(zhǔn)時(shí)起均溫作用，提高管式爐溫場均勻性，至高使用溫度1200℃。根據(jù)被校準(zhǔn)對(duì)象不同，均溫塊的結(jié)構(gòu)有所不同：單孔型均溫塊在中心開有一個(gè)單孔，使用時(shí)將普通廉金屬熱電偶捆扎成束后放入孔內(nèi)，如圖1a所示；多孔型均溫塊開有多個(gè)測(cè)試孔，使用時(shí)將鎧裝熱電偶直接插入孔中，無需捆扎，控溫孔可以和測(cè)試孔開在一面，也可以開在均溫塊的背面，所有開孔均為盲孔，如圖1b所示。本試驗(yàn)中將爐口處的擋板和均溫塊做成一體結(jié)構(gòu)，如圖1c所示，可以方便均溫塊在爐內(nèi)的定位，也便于溫場測(cè)試時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。
                      
圖1a 單孔型均溫塊             圖1b 多孔型均溫塊             圖1c 一體結(jié)構(gòu)型均溫塊 

2、管式爐溫場測(cè)試數(shù)據(jù)比較
2.1 帶均溫塊時(shí)溫場測(cè)試數(shù)據(jù)
       選取一臺(tái)管式爐，在1000℃下對(duì)其帶均溫塊時(shí)的溫場一致性進(jìn)行測(cè)試。 測(cè)試方法如下：將均溫塊置于管式爐中心位置，用2支二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶作為測(cè)試偶。軸向溫場測(cè)試時(shí)，一支插入均溫塊周邊任一孔底部作為固定熱電偶，另一支插入中心孔中作為移動(dòng)熱電偶。由孔底開始向外，測(cè)試30mm距離內(nèi)溫度一致性。徑向溫度場的測(cè)試采用微差法，先把移動(dòng)熱電偶和固定熱電偶的負(fù)極在參考端短接，之后將移動(dòng)熱電偶正極接測(cè)量儀器“+”，固定熱電偶正極接測(cè)量儀器“-”；然后將2支測(cè)試偶同時(shí)插入均溫塊中心孔底部，測(cè)得微差值，作為徑向溫場測(cè)試時(shí)“0”點(diǎn)位置的讀數(shù)；再測(cè)試徑向溫場上、下、左、右位置和中心孔在孔底處的溫度一致性。
帶均溫塊時(shí)軸向與徑向溫場測(cè)試示意圖分別如圖2軸向和圖3所示，測(cè)試結(jié)果如表1所示。由于均溫塊測(cè)試孔為盲孔，故測(cè)試結(jié)果為由孔底向外各點(diǎn)的數(shù)據(jù)。
    

圖2 軸向溫度場測(cè)試示意圖 

圖3 徑向溫度場測(cè)試示意圖

表1 帶均溫塊時(shí)溫度場測(cè)試結(jié)果

方向            位置/cm         溫度分布/℃      溫度差/℃軸向            0                     0                      0.3(距均溫塊孔底0-3cm之間)
軸向            1                     0.2                   0.3(距均溫塊孔底0-3cm之間)
軸向            2                     0.1                   0.3(距均溫塊孔底0-3cm之間)
軸向            3                     -0.1                  0.3(距均溫塊孔底0-3cm之間)
徑向            上                    0.1                   0.2
徑向            右                    0.2                   0.2
徑向            下                    0.2                   0.2
徑向            左                    0.2                   0.2
徑向            0                     0                      0.2
2.2 未帶均溫塊時(shí)溫場測(cè)試數(shù)據(jù)
       對(duì)同一臺(tái)管式爐，按JJF1184-2007《熱電偶檢定爐溫度場測(cè)試技術(shù)規(guī)范》的要求，在未置入均溫塊時(shí)，對(duì)其1000℃時(shí)軸向溫場和徑向溫場進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。
       由于帶均溫塊時(shí)測(cè)試的是0-3cm的溫場一致性，因此只比較兩次測(cè)量管式爐同一側(cè)溫場的溫度均勻性。從溫場測(cè)試結(jié)果得出，均溫塊內(nèi)0-3cm溫度場一致性可達(dá)0.3℃，而未使用均溫塊時(shí)0-3cm的溫度場一致性為0.8℃。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知使用均勻塊后爐溫均勻性有了明顯提升，這主要緣于金屬良好的導(dǎo)熱性能。

3、熱電偶校準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較與分析
      通過對(duì)熱電偶在不同管式爐內(nèi)、不同狀態(tài)下的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較，可以進(jìn)一步證明均溫塊在校準(zhǔn)中具有重要作用。
表2 未帶均溫塊時(shí)溫度場測(cè)試結(jié)果
方向             位置/cm        溫度分布/℃        溫度差/℃軸向             -3                 0.7                      1.0(-3~3cm之間)
軸向             -2                 -0.2                     1.0(-3~3cm之間)
軸向             -1                 0.0                      1.0(-3~3cm之間)
軸向             0                   0.0                      1.0(-3~3cm之間)
軸向             1                   0.3                      1.0(-3~3cm之間)
軸向             2                   0.7                      1.0(-3~3cm之間)
軸向             3                   0.8                      1.0(-3~3cm之間)
徑向             上                  0.3                      0.3
徑向             右                  0.3                      0.3
徑向             下                  0.3                      0.3
徑向             左                  0.2                      0.3
徑向             0                    0                        0.3
試驗(yàn)前，先對(duì)帶均溫塊管式爐控溫參數(shù)進(jìn)行整定，獲取相應(yīng)PID參數(shù)，按區(qū)域PID方法執(zhí)行溫度控制。

       試驗(yàn)在兩臺(tái)管式爐中分別進(jìn)行，管式爐編號(hào)分別為17081504，160517。校準(zhǔn)時(shí)，先將均溫塊置于其中一臺(tái)管式爐內(nèi)，將二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶插入中心孔孔底，被校熱電偶插入均溫塊周邊任意孔底部，獲取一組校準(zhǔn)數(shù)據(jù)；然后，將均溫塊置于另一臺(tái)管式爐中，再次對(duì)這兩支熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)，觀察不同爐子之間校準(zhǔn)結(jié)果的差異。校準(zhǔn)結(jié)果見表3。
表3 帶均溫塊時(shí)熱電偶校準(zhǔn)數(shù)據(jù)
爐號(hào)                熱電偶編號(hào)     300℃點(diǎn)誤差/℃     500℃點(diǎn)誤差/℃     700℃點(diǎn)誤差/℃      一致性/℃
17081504       128                 -0.4                       0.7                        1.0                         0.3
160517           128                 -0.5                       0.4                        1.1                         0.3
17081504       130                 -0.1                       0.1                        0.4                         0.3
160517           130                 -0.4                       0.1                        0.6                         0.3
       為進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，在兩臺(tái)管式爐中，采用不帶均 溫塊的方式，分別對(duì)熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)工作用同一支標(biāo)準(zhǔn)熱電偶完成，以便更好地觀察均溫塊對(duì)熱電偶校準(zhǔn)結(jié)果的影響。校準(zhǔn)結(jié)果見表4。
       從表3、表4中可以看出，未配均溫塊時(shí)，同一支熱電偶在兩臺(tái)管式爐中的校準(zhǔn)結(jié)果大相差0.9℃；配均溫塊后，同一支熱電偶校準(zhǔn)結(jié)果大相差0.3℃，熱電偶校準(zhǔn)結(jié)果一致性得到明顯改善。

表4 未帶均溫塊時(shí)熱電偶校準(zhǔn)數(shù)據(jù)
爐號(hào)               熱電偶編號(hào)      300℃點(diǎn)誤差/℃       500℃點(diǎn)誤差/℃     700℃點(diǎn)誤差/℃   一致性/℃
17081504      128                 -0.2                         0.6                         1.9                       0.9
160517          128                 -0.1                         -0.3                        1.1                       0.9
17081504      130                 -0.1                         0.0                         1.2                       0.8
160517          130                 -0.6                         -0.8                        0.6                       0.8
       在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱電偶捆扎成束裝爐后，由于捆扎的形狀和熱電偶本身的熱傳導(dǎo)特性會(huì)對(duì)爐溫均勻性產(chǎn)生影響。而通過加入均溫塊可有效改善熱電偶對(duì)爐溫均勻性的影響，提高管式爐合格溫區(qū)內(nèi)的溫場性能。并且均溫塊相當(dāng)于在爐內(nèi)裝載了一個(gè)負(fù)載，可減少溫度波動(dòng)對(duì)熱電偶校準(zhǔn)帶來的影響。

帶均溫塊校準(zhǔn)熱電偶時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：
①均溫塊使用的前提條件是管式爐本身要有合格的溫場，不能片面強(qiáng)調(diào)均溫塊的作用而忽視管式爐本身溫場的重要性；
②帶均溫塊后，管式爐的控溫滯后性增加，應(yīng)對(duì)帶均溫塊管式爐控溫參數(shù)進(jìn)行整定，匹配相應(yīng)PID參數(shù)，適當(dāng)延長恒溫時(shí)間，獲取更好的測(cè)量結(jié)果；
③校準(zhǔn)時(shí)，需要對(duì)熱電偶的插入深度做出標(biāo)記，當(dāng)熱電偶位置偏出時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并調(diào)整。

4、均溫塊在特殊結(jié)構(gòu)熱電偶校準(zhǔn)中的應(yīng)用
       均溫塊不僅能夠改善溫場，還能改善檢定或校準(zhǔn)熱電偶時(shí)的換熱情況。在實(shí)際使用中，對(duì)于一些異形熱電偶，用常規(guī)的捆扎方法往往無法校準(zhǔn)。 而均溫塊的使用，可以提高管式爐對(duì)特殊結(jié)構(gòu)熱電偶的校準(zhǔn)能力。
①在真空熱處理設(shè)備中，由于工作溫度較高，需要用貴金屬熱電偶進(jìn)行控溫和溫場測(cè)試。為保證氣密性，有時(shí)會(huì)采用不可拆卸的陶瓷封裝結(jié)構(gòu)， 無法將偶絲抽出來進(jìn)行校準(zhǔn)。通過X光檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，這類熱電偶的測(cè)量端和陶瓷管頂部之間往往具有一定的空隙。在與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶捆扎在一起進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，由于無法獲知測(cè)量端在瓷管內(nèi)的具體位置，導(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果誤差較大。對(duì)于這種情況，可以參考鎧裝熱電偶的校準(zhǔn)方法，將熱電偶插入均溫塊中進(jìn)行校準(zhǔn)。由于均溫塊本身具 有較好的孔間溫度一致性，可以獲得準(zhǔn)確可靠的校準(zhǔn)結(jié)果。但由于貴金屬熱電偶校準(zhǔn)溫度較高，需要綜合考慮均溫塊的使用溫度，采用合適的高溫合金塊。
②發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)用熱電偶因考慮氣流流速影響，一般在感溫端附近設(shè)計(jì)有進(jìn)氣孔和排氣孔，使氣流以一定的速度流過測(cè)量端。某發(fā)動(dòng)機(jī)T3熱電偶結(jié)構(gòu)如圖4所示。
       該型熱電偶結(jié)構(gòu)特殊，因此校準(zhǔn)時(shí)對(duì)溫度場有著較高要求；并且這類熱電偶一般直徑比較粗，捆扎裝爐后會(huì)明顯改變管式爐溫場，造成校準(zhǔn)時(shí)受熱不均勻，帶來較大測(cè)量誤差，按常規(guī)方法無法準(zhǔn)確校準(zhǔn)。通過設(shè)計(jì)制作符合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的均溫塊，實(shí)現(xiàn)T3熱電偶靜態(tài)溫度特性校準(zhǔn)。該均溫塊的開孔尺寸略大于熱電偶直徑，孔深也隨之增加，保證熱電偶插入均溫塊的深度與孔徑之比滿足要求。由于均溫塊內(nèi)部的傳熱方式主要以導(dǎo)熱為主，高溫時(shí)金屬內(nèi)部溫度分布均勻，受溫度波動(dòng)影響小，故能夠提供一個(gè)穩(wěn)定且均勻的溫場。試驗(yàn)結(jié)果表明：將均溫塊應(yīng)用于T3熱電偶的校準(zhǔn)中是有效且可靠的。為了取得更好的校準(zhǔn)結(jié)果，還可以將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶套上與被校偶相似的外加金屬保護(hù)管，使二者輻射性能相接近。
③對(duì)于一些因固定卡套和接口法蘭等原因無法和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶從同一側(cè)放入爐內(nèi)校準(zhǔn)的熱電偶，可以考慮從均溫塊兩側(cè)開孔，孔底置于爐內(nèi)相同截面處，從管式爐兩端分別插入，完成校準(zhǔn)工作。這種情況下需要提前對(duì)均溫塊兩側(cè)溫度一致性進(jìn)行測(cè)試，確認(rèn)滿足使用要求后，方可實(shí)施校準(zhǔn)。
       均溫塊作為輔助裝置，與管式爐配套使用，是改善溫場性能的重要手段，對(duì)于提高熱電偶校準(zhǔn)精度作用突出。可以顯著減小測(cè)量結(jié)果的不確定度，在對(duì)熱電偶進(jìn)行合格判定和修正值引用時(shí)效果明顯。合理地使用均溫塊，能夠?qū)犭娕夹?zhǔn)中遇到的問題提供更廣泛的解決思路。廣大計(jì)量人員應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到均溫塊作用的重要性，使其在溫度計(jì)量領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛與深入。