高麗

摘 要：本文對小型箱式電阻爐校準過程中遇到的一些問題提供了解決方法，并對現(xiàn)行箱式電阻爐校準規(guī)范提出了修改意見。

關鍵詞：箱式電阻爐；爐溫均勻度；爐溫偏差；計量特性；校準

0 引言

箱式電阻爐是以電為能源，在某一規(guī)定時間內，電流通過加熱元件產生熱量，其傳熱方式為輻射、傳導、對流等，是使爐料間接得到加熱的設備。箱式電阻爐具有體積小、升溫快、熱損小、均勻性好、維修方便、使用安全等優(yōu)點。目前，廣泛應用于學校、科研機構、企業(yè)等機構的化學分析、物理測定、金屬件熱處理、產品退火、高溫滅菌等方面。常見的有小型箱式電阻爐、程控爐、臺車箱式電阻爐、工業(yè)退火爐等。

隨著科學技術的不斷發(fā)展，產品日趨更新，社會對質量品質的要求在不斷提升，因此企業(yè)對生產的源頭把控也日益重視。在很多生產領域會接觸到熱處理的生產工藝，其中最常見的熱處理設備就是箱式電阻爐。為了讓設備能夠持續(xù)有效的運行且保持良好的性能，箱式電阻爐的計量工作就顯得尤為重要，計量過程中遇到的一些問題也有待注意。

1 箱式電阻爐測量的技術要求

（1）測量依據(jù)：JJF 1376-2012《箱式電阻爐校準規(guī)范》。

（2）測量方法：比較法。依據(jù)箱式爐的校準規(guī)范7.3.3要求，容積不大于0.15m3箱式爐布置5支傳感器（熱電偶），分別位于測溫區(qū)的中心點（作為監(jiān)控點）和前下左、前上右、及后上左、后下右四個端角；容積大于0.15m3箱式爐布置9支傳感器，8支分別位于測溫區(qū)的八個端角，1支（作為監(jiān)控點）位于距控溫熱電偶測量端延伸方向不超過150mm處。

（3）標準器及主要配套設備：不低于工作用I級的廉金屬熱電偶，或不低于工作用Ⅱ級的貴金屬熱電偶；不低于0.02級的測溫儀表；寄生電勢不大于1μV的轉換開關。

2 箱式電阻爐校準中的問題

JJF 1376-2012《箱式電阻爐校準規(guī)范》已實施超過3年，在實際測量中，主要遇到如下問題。

2.1 傳感器布置的可操作性

對爐溫均勻性本就偏大的大型電阻爐要求布置9支傳感器是科學合理的，大型電阻爐的爐門本就兼有放置試樣的裝料架/車的功能，而且一般為多段控溫模式，可以通過爐身的控溫熱電偶插孔和爐門間隙布置測量用傳感器。而小型箱式電阻爐大部分為一段控溫模式，只使用一支控溫熱電偶，且插孔較小，一般不超過1cm，部分箱式爐的爐門留有觀察窗，即直徑1cm左右以可旋轉金屬片遮擋的小孔。現(xiàn)在使用越來越多的一體式陶瓷纖維馬弗爐，控溫熱電偶與插孔緊密貼合且無觀察窗。把測溫架置于箱式電阻爐內，爐底的控溫熱電偶插孔僅夠布置1～2支熱電偶，不論是通過爐身的觀察窗，還是爐門間隙布置熱電偶，關閉爐門時都會拉動測量端使熱電偶位置發(fā)生變化，熱電偶從電阻爐的爐門的縫隙進入測溫區(qū)，會導致爐門封閉不嚴，這些因素都會影響測量結果的準確性；關閉爐門后會使熱電偶彎曲，使熱電偶容易損壞，增加測量成本。所以，布置5支熱電偶進行測量的方法在目前的情況下可操作性不足。

2.2 測溫架的適用性

規(guī)范7.3.3要求“設計測溫架”。由于很多箱式電阻爐的電加熱絲都裸露在外，在加熱過程中，不能與所使用的熱電偶相接觸，因為熱電偶外部的金屬層會導電，輕則損壞標準器，重則箱式電阻爐發(fā)生故障或人員觸電，導致安全事故。在實際工作中，測量用的廉金屬熱電偶大部分材質較硬，無法隨意彎曲，使其與電阻爐的電加熱絲接觸的可能性加大；而貴金屬熱電偶為了避免被污染，必須使用瓷管而不能使用雙孔絕緣瓷珠使偶絲裸露在外。這就使得測量用傳感器測量端無法固定于測溫架并將參考端引出爐外。

2.3 校準步驟的低效性

規(guī)范7.3.4要求“校準通常在空載狀態(tài)下進行。熱電偶參考端引出爐外，依標記序號分別通過轉換開關與測量儀表連接。關閉爐門，通電升溫，將箱式爐的控溫儀表按需要設定溫度值。當爐溫達到校準溫度，并處于熱穩(wěn)定狀態(tài)后開始讀數(shù)。在60min內，每隔3min記錄各個測溫點的溫度1次，至少測量20次?！贝笮蜖t的校準需要工作人員進入爐體內進行傳感器的布置，布置好傳感器之后再通電升溫的要求是科學合理的。而對小型爐而言，實際工作中經常遇到的情況是，實驗室用箱式爐經常是不關機的，尤其是在煤礦冶金行業(yè)的化驗室，冷卻后再重新升溫，直接影響用戶的工作，故該條款的要求不太合理。以小型箱式爐為例，一般從室溫升溫到800℃需要1.5～2小時，從爐溫升到設定值到達到熱穩(wěn)定狀態(tài)，一般需要0.5～1小時，再加上讀數(shù)所需的1小時，按最短時間計算，校準一臺箱式爐需要3小時。如果說可以通過多帶熱電偶去工作現(xiàn)場的方式解決傳感器使用率低的問題，對電測設備而言，這種辦法是不具備可行性的。

2.4 爐溫偏差計算和測量不確定度評定的合理性

規(guī)范3.6“爐溫偏差”的定義為：箱式爐達到熱穩(wěn)定狀態(tài)時，測溫區(qū)內各個測溫點在規(guī)定時間內，測得的最高、最低實際溫度分別與標稱溫度的上、下偏差。規(guī)范3.2“標稱溫度”的定義為：按試驗方法要求所規(guī)定的溫度值或按需要預先確定的溫度值。依據(jù)這兩條定義的要求，對箱式電阻爐的校準，不記錄箱式電阻爐測溫儀表的示值；計算爐溫偏差時，不是最高實際溫度與箱式電阻爐測溫儀表的示值平均值之差為爐溫偏差Δt+，最低實際溫度與箱式電阻爐測溫儀表的示值平均值之差為爐溫偏差Δt-，而是最高實際溫度與標稱溫度之差為爐溫偏差Δt+，最低實際溫度與標稱溫度之差為爐溫偏差Δt-。實際工作或校準時，標稱溫度一般是給定值或設定值。

JJF 1001-2011《通用計量術語及定義》中，“校準”的定義為：在規(guī)定條件下的一組操作，其第一步是確定由測量標準提供的量值與相應示值之間的關系；第二步則是用此信息確定由示值獲得測量結果的關系，這里測量標準提供的量值與相應示值都具有測量不確定度。標稱溫度即不是定義中的示值，也不是測量標準提供的量值。由此可見，規(guī)范中對爐溫偏差的定義是欠妥的，與“校準”的定義是相悖的。

由JJF 1001-2011《通用計量術語及定義》可知，“測量結果是與其他有用的相關信息一起賦予被測量的一組值”?！皽y量結果通常表示為單個測得的量值和一個測量不確定度”。JJF 1376-2012《箱式電阻爐校準規(guī)范》要求對箱式電阻爐進行爐溫均勻度、爐溫穩(wěn)定度、爐溫偏差及爐內最大溫差4項計量性能的校準，校準結果中也需要得出4項7組數(shù)據(jù)。根據(jù)JJF 1001-2011《通用計量術語及定義》，應對校準結果的7組數(shù)據(jù)分別進行不確定度評定，尤其是最為重要的爐溫偏差。而JJF 1376-2012《箱式電阻爐校準規(guī)范》中，附錄中的記錄格式、校準結果格式、計算示例、測量不確定度評定實例中均只有對爐溫均勻度的要求。

實例中以爐溫均勻度Δθ+和Δθ-為例，依據(jù)數(shù)學模型Δθ+（或Δθ-）=tpmax（或tpmin）-tp，測量結果的不確定度具有4個標準不確定度分量：輸入量tpmax（或tpmin）重復測量引入的不確定度；溫度校準裝置修正值（傳感器、電測設備、轉換開關）引入的不確定度；輸入量tp重復測量引入的不確定度；溫度校準裝置修正值（傳感器、電測設備、轉換開關）引入的不確定度?？梢?個標準不確定度分量中有3個完全相同，唯一不同的是輸入量tpmax（或tpmin）重復測量引入的不確定度。重復測量引入的不確定度具有隨機性，實際工作中，可取Δθ+和Δθ-不確定度較大者，作為爐溫均勻度的測量結果不確定度。爐溫穩(wěn)定度和爐溫偏差數(shù)學模型類似，測量結果不確定度也可同理視之。

3 箱式電阻爐校準問題的解決辦法

3.1 測溫輔助模塊

針對傳感器布置的可操作性和測溫架的適用性，可通過測溫輔助模塊解決。依據(jù)常見箱式爐（小型爐）的爐門尺寸，利用耐火材料加工一組與被校電阻爐可配套使用的測溫輔助模塊（原理同對熱電偶檢定爐進行徑向溫場測試時使用的模塊），在中心及四個端角位置開小孔，并在外側安裝方便使用的提手；若標準器選用貴金屬熱電偶，則在開孔處加裝剛玉管，長度和位置依規(guī)范中對測溫區(qū)的要求決定。校準時，以該輔助模塊代替爐門，依據(jù)規(guī)范要求插入熱電偶。爐溫較高時也可進行該操作，同時提高了工作效率。只需注意高溫時不可快速插拔熱電偶，操作時緩慢插入或拔出，以免縮短其使用壽命。另外，有一種進口的軟線型廉金屬熱電偶也可解決該問題，但目前國內暫時無法生產，不僅價格高昂，而且由于國外的技術壁壘使其進入國內難度較大。此外，修訂生產標準，要求電阻爐必須預留測溫孔是解決該問題的最好辦法。

3.2 對規(guī)范修訂的幾點建議

①建議不再要求布置好傳感器后再通電升溫；

②當爐溫達到校準溫度，并處于熱穩(wěn)定狀態(tài)后，分別用30min內讀數(shù)不少于15次，和60min內不少于20次兩種方式對同一臺電阻爐進行測量，在多臺電阻爐上重復該實驗，兩種方式測量結果的不確定度化整后是相同的。故可修訂該條款為“在30min內讀數(shù)不少于15次”，以提高工作效率。

③修訂“爐溫偏差”的定義為：箱式爐達到熱穩(wěn)定狀態(tài)時，測溫區(qū)內各個測溫點在規(guī)定時間內，測得的最高、最低實際溫度分別與示值的上、下偏差。并在每次讀數(shù)時記錄電阻爐測溫儀表的示值。計算爐溫偏差時，最高實際溫度與箱式電阻爐測溫儀表的示值平均值之差為爐溫偏差Δt+，最低實際溫度與箱式電阻爐測溫儀表的示值平均值之差為爐溫偏差Δt-。

④對爐溫均勻度、爐溫穩(wěn)定度、爐溫偏差及爐內最大溫差分別進行不確定度評定，除爐內最大溫差外，其余三項取一對結果中不確定度較大者，作為測量結果不確定度。

4 結束語

利用測溫輔助模塊，不需要測溫架，簡化了工作，提高了效率和安全性，還可提高熱電偶的使用壽命和校準的準確度。在生產標準和技術規(guī)范的制定過程中，需要將兩者結合起來，生產標準的制定需要考慮產品性能測試的可操作性。檢定規(guī)程、校準規(guī)范是維護量值統(tǒng)一的工作依據(jù)，需要起草者和規(guī)程規(guī)范的執(zhí)行者共同努力，使國家計量檢定規(guī)程和校準規(guī)范進一步完善。

參考文獻

[1] JJF1376-2012 箱式電阻爐校準規(guī)范.

[2] JJF 1001-2011 通用計量術語及定義.

[3] GB/T 10066.4 電熱設備的試驗方法 第4部分：間接電阻爐.