熱電偶校準通常是將二等標準鉑銠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結果準確性的重要因素。在JJF1637-2017《廉金屬熱電偶校準規范》和JJF1262-2010《鎧裝熱電偶校準規范》中，對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時的溫場一致性，規范中提出了均溫塊的概念，以改善爐溫性能。但在實際工作中，由于校準人員的重視程度不足，均溫塊的使用沒有得到很好的推廣。本文通過試驗數據的對比分析，證明均溫塊對熱電偶校準質量的重要影響，并對其在實際工作中的應用進行了探討。
1、均溫塊的結構
熱電偶管式爐專用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)校準時起均溫作用，提高管式爐溫場均勻性，最高使用溫度1200℃。根據被校準對象不同，均溫塊的結構有所不同：單孔型均溫塊在中心開有一個單孔，使用時將普通廉金屬熱電偶捆扎成束后放入孔內，如圖1a所示；多孔型均溫塊開有多個測試孔，使用時將鎧裝熱電偶直接插入孔中，無需捆扎，控溫孔可以和測試孔開在一面，也可以開在均溫塊的背面，所有開孔均為盲孔，如圖1b所示。本試驗中將爐口處的擋板和均溫塊做成一體結構，如圖1c所示，可以方便均溫塊在爐內的定位，也便于溫場測試時進行轉動。
圖1a 單孔型均溫塊 圖1b 多孔型均溫塊 圖1c 一體結構型均溫塊
2、管式爐溫場測試數據比較
2.1 帶均溫塊時溫場測試數據
選取一臺管式爐，在1000℃下對其帶均溫塊時的溫場一致性進行測試。 測試方法如下：將均溫塊置于管式爐中心位置，用2支二等標準鉑銠10-鉑熱電偶作為測試偶。軸向溫場測試時，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熱電偶。由孔底開始向外，測試30mm距離內溫度一致性。徑向溫度場的測試采用微差法，先把移動熱電偶和固定熱電偶的負極在參考端短接，之后將移動熱電偶正極接測量儀器“+”，固定熱電偶正極接測量儀器“-”；然后將2支測試偶同時插入均溫塊中心孔底部，測得微差值，作為徑向溫場測試時“0”點位置的讀數；再測試徑向溫場上、下、左、右位置和中心孔在孔底處的溫度一致性。
帶均溫塊時軸向與徑向溫場測試示意圖分別如圖2軸向和圖3所示，測試結果如表1所示。由于均溫塊測試孔為盲孔，故測試結果為由孔底向外各點的數據。
圖2 軸向溫度場測試示意圖 圖3 徑向溫度場測試示意圖
表1 帶均溫塊時溫度場測試結果
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 未帶均溫塊時溫場測試數據
對同一臺管式爐，按JJF1184-2007《熱電偶檢定爐溫度場測試技術規范》的要求，在未置入均溫塊時，對其1000℃時軸向溫場和徑向溫場進行測試，測試結果如表2所示。
由于帶均溫塊時測試的是0-3cm的溫場一致性，因此只比較兩次測量管式爐同一側溫場的溫度均勻性。從溫場測試結果得出，均溫塊內0-3cm溫度場一致性可達0.3℃，而未使用均溫塊時0-3cm的溫度場一致性為0.8℃。從實驗數據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熱性能。
3、熱電偶校準數據比較與分析
通過對熱電偶在不同管式爐內、不同狀態下的校準數據比較，可以進一步證明均溫塊在校準中具有重要作用。
表2 未帶均溫塊時溫度場測試結果
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
試驗前，先對帶均溫塊管式爐控溫參數進行整定，獲取相應PID參數，按區域PID方法執行溫度控制。
試驗在兩臺管式爐中分別進行，管式爐編號分別為17081504，160517。校準時，先將均溫塊置于其中一臺管式爐內，將二等標準鉑銠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，獲取一組校準數據；然后，將均溫塊置于另一臺管式爐中，再次對這兩支熱電偶進行校準，觀察不同爐子之間校準結果的差異。校準結果見表3。
表3 帶均溫塊時熱電偶校準數據
爐號 熱電偶編號 300℃點誤差/℃ 500℃點誤差/℃ 700℃點誤差/℃ 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
為進行數據比較，在兩臺管式爐中，采用不帶均 溫塊的方式，分別對熱電偶進行校準，校準工作用同一支標準熱電偶完成，以便更好地觀察均溫塊對熱電偶校準結果的影響。校準結果見表4。
從表3、表4中可以看出，未配均溫塊時，同一支熱電偶在兩臺管式爐中的校準結果最大相差0.9℃；配均溫塊后，同一支熱電偶校準結果最大相差0.3℃，熱電偶校準結果一致性得到明顯改善。
表4 未帶均溫塊時熱電偶校準數據
爐號 熱電偶編號 300℃點誤差/℃ 500℃點誤差/℃ 700℃點誤差/℃ 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
在實際工作中發現，當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特性會對爐溫均勻性產生影響。而通過加入均溫塊可有效改善熱電偶對爐溫均勻性的影響，提高管式爐合格溫區內的溫場性能。并且均溫塊相當于在爐內裝載了一個負載，可減少溫度波動對熱電偶校準帶來的影響。
帶均溫塊校準熱電偶時需注意以下幾點：
①均溫塊使用的前提條件是管式爐本身要有合格的溫場，不能片面強調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，應對帶均溫塊管式爐控溫參數進行整定，匹配相應PID參數，適當延長恒溫時間，獲取更好的測量結果；
③校準時，需要對熱電偶的插入深度做出標記，當熱電偶位置偏出時能及時發現并調整。
4、均溫塊在特殊結構熱電偶校準中的應用
均溫塊不僅能夠改善溫場，還能改善檢定或校準熱電偶時的換熱情況。在實際使用中，對于一些異形熱電偶，用常規的捆扎方法往往無法校準。 而均溫塊的使用，可以提高管式爐對特殊結構熱電偶的校準能力。
①在真空熱處理設備中，由于工作溫度較高，需要用貴金屬熱電偶進行控溫和溫場測試。為保證氣密性，有時會采用不可拆卸的陶瓷封裝結構， 無法將偶絲抽出來進行校準。通過X光檢測可以發現，這類熱電偶的測量端和陶瓷管頂部之間往往具有一定的空隙。在與標準熱電偶捆扎在一起進行校準時，由于無法獲知測量端在瓷管內的具體位置，導致校準結果誤差較大。對于這種情況，可以參考鎧裝熱電偶的校準方法，將熱電偶插入均溫塊中進行校準。由于均溫塊本身具 有較好的孔間溫度一致性，可以獲得準確可靠的校準結果。但由于貴金屬熱電偶校準溫度較高，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發動機試驗用熱電偶因考慮氣流流速影響，一般在感溫端附近設計有進氣孔和排氣孔，使氣流以一定的速度流過測量端。某發動機T3熱電偶結構如圖4所示。
該型熱電偶結構特殊，因此校準時對溫度場有著較高要求；并且這類熱電偶一般直徑比較粗，捆扎裝爐后會明顯改變管式爐溫場，造成校準時受熱不均勻，帶來較大測量誤差，按常規方法無法準確校準。通過設計制作符合其結構特點的專用均溫塊，實現T3熱電偶靜態溫度特性校準。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。由于均溫塊內部的傳熱方式主要以導熱為主，高溫時金屬內部溫度分布均勻，受溫度波動影響小，故能夠提供一個穩定且均勻的溫場。試驗結果表明：將均溫塊應用于T3熱電偶的校準中是有效且可靠的。為了取得更好的校準結果，還可以將標準熱電偶套上與被校偶相似的外加金屬保護管，使二者輻射性能相接近。
③對于一些因固定卡套和接口法蘭等原因無法和標準熱電偶從同一側放入爐內校準的熱電偶，可以考慮從均溫塊兩側開孔，孔底置于爐內相同截面處，從管式爐兩端分別插入，完成校準工作。這種情況下需要提前對均溫塊兩側溫度一致性進行測試，確認滿足使用要求后，方可實施校準。
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，對于提高熱電偶校準精度作用突出。可以顯著減小測量結果的不確定度，在對熱電偶進行合格判定和修正值引用時效果明顯。合理地使用均溫塊，能夠對熱電偶校準中遇到的問題提供更廣泛的解決思路。廣大計量人員應充分認識到均溫塊作用的重要性，使其在溫度計量領域的應用更加廣泛與深入。
作者：李朝、劉戎、侯運安
