張婧瑜，安 巍，姜熙成

(1.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 201114；2.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 200093；3.朝鮮平壤建筑綜合大學(xué)，朝鮮，平壤)

0 引 言

干井爐即干體式溫度校準(zhǔn)器，以空氣作為校準(zhǔn)介質(zhì)。近年來，隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度的不斷提高，工業(yè)現(xiàn)場溫度校準(zhǔn)需求正日益增多[1-2]。企業(yè)中許多重要設(shè)備的溫度探頭與測溫系統(tǒng)一體化，很難拆裝后將其送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校準(zhǔn)。為滿足企業(yè)需求，也為更加準(zhǔn)確地測量整個(gè)系統(tǒng)的溫度，就需要進(jìn)行現(xiàn)場溫度校準(zhǔn)。相比于不便于攜帶，升降溫慢，以液體作為校準(zhǔn)介質(zhì)的傳統(tǒng)檢定爐槽[3]，干井爐以其無污染、操作簡單、便于攜帶，升降溫快、可用溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)[4]，被廣泛應(yīng)用于食品、石化、制藥、半導(dǎo)體和其他制造業(yè)的企業(yè)現(xiàn)場計(jì)量和在線校準(zhǔn)[5]。但針對市場上長短不一的溫度探頭[6-7]，干井爐測溫的準(zhǔn)確性一直是困擾現(xiàn)場溫度校準(zhǔn)人員的問題，其中干井爐軸向溫度分布是影響其準(zhǔn)確性的重要因素之一。

目前對于干井爐的研究主要圍繞測量穩(wěn)定性[8]、現(xiàn)場溫度校準(zhǔn)方法[9]、溫度分布均勻性[10]等方面展開。干井爐軸向溫度的均勻性引起了學(xué)者的重視，但大部分的實(shí)驗(yàn)以溫度探頭距離井底 50 mm以內(nèi)的溫度分布為主[11]，較為系統(tǒng)的分析不同校準(zhǔn)溫度下干井爐軸向溫度分布情況的實(shí)驗(yàn)比較少見。因此本文通過實(shí)驗(yàn)分析校準(zhǔn)溫度與干井爐軸向溫度分布的關(guān)系，希望能為干井爐在現(xiàn)場溫度校準(zhǔn)中的應(yīng)用提供更全面可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以提高現(xiàn)場計(jì)量的準(zhǔn)確性。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

選用美國福祿克現(xiàn)場計(jì)量干井爐FLUKE 9144（目前國內(nèi)大部分省計(jì)量院和科研院所均選用該品牌，性能穩(wěn)定，精確度高）作為研究對象，測量范圍為（50～660）℃。內(nèi)置測溫儀的準(zhǔn)確度范圍為± 0.01°C～ ± 0.07 ℃，均溫塊井深 150 mm。測溫設(shè)備選用二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻配 FLUKE 1502A測溫儀（精度±0.021℃@500 ℃）。實(shí)驗(yàn)臺(tái)如下圖所示：

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖Fig.1 Laboratory furniture

圖2 測溫示意圖Fig.2 Schematic of measurement

1.2 實(shí)驗(yàn)測試過程

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為(24 ± 1)℃，濕度為(60 ±5)%RH。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻外徑與測溫孔孔徑的間隙△d＜0.5 mm，鉑電阻與均溫塊井底的距離為h（如圖2所示）。

干井爐校準(zhǔn)溫度分別為50 ℃、200 ℃、350 ℃和500 ℃，在不同的校準(zhǔn)點(diǎn)，測量h分別為0 mm、50 mm和100 mm時(shí)的實(shí)際溫度值。為減小測量誤差，提高測量的準(zhǔn)確性，在測試過程中，待干井爐到達(dá)校準(zhǔn)溫度（即設(shè)定溫度）并穩(wěn)定30 min后，每隔1 min讀取一次溫度，共讀取15次，取算術(shù)平均值作為此工況下的實(shí)測溫度值。此外，在實(shí)驗(yàn)測試過程中使用同一根標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，并在同一個(gè)測溫孔內(nèi)進(jìn)行測溫，以減少標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻與干井爐徑向均勻性所引起的測量誤差。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

分別對不同校準(zhǔn)溫度和標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻插入干井爐深度的工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。下面從兩個(gè)方面對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data

2.1 一校準(zhǔn)溫度下，鉑電阻插入深度對測溫準(zhǔn)確性的影響

圖 3中的(a)、(b)、(c)、(d)分別表示校準(zhǔn)溫度為50 ℃、200 ℃、350 ℃和500 ℃時(shí)，鉑電阻插入深度與測溫準(zhǔn)確性的關(guān)系?？梢园l(fā)現(xiàn)，實(shí)測溫度隨著鉑電阻距井底距離h的增加而不斷減少，且不呈線性變化。h由50 mm增至100 mm所對應(yīng)實(shí)測溫度的降低程度明顯高于h，由0 mm增至50 mm時(shí)對應(yīng)溫度的降低程度。干井爐的軸向溫度為非線性變化，由井底到井口方向的溫度梯度可表示為下式，單位為℃/mm。

dt—該方向上溫度的減少量，℃；

dh—距井底距離的增加量，mm。

圖3鉑電阻插入深度對溫度測量的影響Fig. 3 Influence of insertion depth on thermometry

可以發(fā)現(xiàn)由井底到井口方向的溫度梯度值會(huì)不斷增加，即沿著該方向，降溫幅度不斷增大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因大體有三方面：1. 溫度計(jì)的感溫區(qū)深度不盡相同，因此所感測的就是感溫區(qū)內(nèi)不同軸向位置的溫度，從而引起測量誤差；2.井底熱量要經(jīng)過輻射和對流換熱才能傳遞給探頭，測溫點(diǎn)離井底越遠(yuǎn)，熱損耗就越大；3.測溫點(diǎn)越靠近井口位置，溫度計(jì)的感溫區(qū)越易受環(huán)境溫度及其它條件的變化而影響其準(zhǔn)確性。

2.2 同一插入深度下，校準(zhǔn)溫度對測溫準(zhǔn)確性的影響

觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)：隨著校準(zhǔn)溫度的升高，干井爐的軸向最大溫差（見式（2））會(huì)越來越大。校準(zhǔn)溫度為50 ℃時(shí)，軸向最大溫差僅為0.74 ℃，而當(dāng)校準(zhǔn)溫度為500 ℃時(shí)，軸向最大溫差驟升為15.78 ℃。

其中：△TMAX—軸向最大溫差，℃；

T0—實(shí)測溫度(h=0 mm)，℃；

T100—實(shí)測溫度(h=100 mm)，℃；

圖4 各校準(zhǔn)點(diǎn)的軸向最大溫差Fig. 4 Maximum axial temperature difference

同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)：隨著校準(zhǔn)溫度的不斷升高，距離井底越遠(yuǎn)位置（h=100 mm）處的實(shí)測溫度與井底實(shí)測溫度的偏差也會(huì)越來越大。如圖5所示，以h=0 mm的實(shí)測溫度為基準(zhǔn)，隨著校準(zhǔn)溫度的增加，h=100 mm處的實(shí)測溫度會(huì)越來越偏離h=0 mm的曲線。

圖5 校準(zhǔn)溫度點(diǎn)對溫度測量的影響Fig.5 Influence of calibration temperature on thermometry

溫度測量可以在任何溫度下進(jìn)行，但當(dāng)干井爐的校準(zhǔn)溫度與環(huán)境差別過大時(shí)，溫度偏差通常會(huì)增加。當(dāng)使用干井爐校準(zhǔn)較低溫度時(shí)，實(shí)測值的準(zhǔn)確性受軸向溫度分布影響較小。但當(dāng)校準(zhǔn)溫度比較高時(shí)，軸向溫度的不均勻性對其測溫準(zhǔn)確性的影響比較大，不可忽略。

綜上可知，在使用干井爐進(jìn)行現(xiàn)場溫度校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)注意以下兩點(diǎn)問題：1. 因?yàn)橛删椎骄诜较虻慕禍胤葧?huì)不斷增大，溫度探頭插入深度應(yīng)盡量靠近井底進(jìn)行測溫，盡量避免在井口附近校準(zhǔn)溫度探頭；2. 當(dāng)溫度探頭比較短時(shí)（＜100 mm），校準(zhǔn)溫度對溫度準(zhǔn)確性的影響較大。校準(zhǔn)溫度越接近環(huán)境溫度，測溫的準(zhǔn)確性越高。校準(zhǔn)溫度比較高時(shí)，溫度偏差會(huì)加大，此時(shí)不建議再使用干井爐進(jìn)行較短溫度探頭的校準(zhǔn)。

3 結(jié)論

井爐被廣泛應(yīng)用于企業(yè)現(xiàn)場和在線溫度校準(zhǔn)，但受被校溫度探頭長度尺寸的影響，無法滿足其始終在井底部被測量的條件，因此干井爐的軸向溫度分布是影響其測溫準(zhǔn)確性的重要因素之一。本文通過實(shí)驗(yàn)研究了干井爐的校準(zhǔn)溫度和軸向溫度分布的關(guān)系，找出現(xiàn)場校準(zhǔn)中應(yīng)該注意的問題，為干井爐在現(xiàn)場溫度校準(zhǔn)中的應(yīng)用提供更全面可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為提高現(xiàn)場溫度校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和應(yīng)用參考。

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