计量检测用管式电阻炉温度场均匀性的研究

章铁军

摘 要：计量检测用管式电阻炉其在温度计量检测领域是一种非常重要的恒温温场提供设备，并主要应用于热电偶与热电阻等多种温度传感器的校准工作中，也是生产厂家对这些设备进行定值的一个关键设备。在运用管式炉进行相应的计量检测工作中，需对温度场的均匀性给予高度重视，因其对于热电偶和热电阻等相关传感器等产生的检测结果产生直接的影响，并对相应产品的生产质量有非常重要的影响。本文就计量检测用管式电阻炉其温度场的均匀性进行了研究分析。

关键词：计量检测 用管式电阻炉 温度场均匀性

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）01（c）-0092-02

1 电阻炉简介

电阻炉实质上是一种利用电流流通电阻体所产生的热量来对物料进行加热或者融化的电炉形式。其具备有发热部门简单以及对炉料种类限制小等优点，并且容易实现真空以及空气气体下的加热等特点，因此在回火和退火等多种热处理工作之中，都能见到电阻炉的身影。在计量检测之中，热电偶的退火、检定和校准等工作中也常常会用到电阻炉。

电阻炉主要由炉衬、炉壳和电热体3个部分所构成，其类型也比较多，按照加热方式的不同，可以将电阻炉分为电热电阻炉以及直接电热电阻炉两种形式，其中前者是借助于炉内的电热体或者导电液体而产生的热量，并借助于相应的传热过程来将热量直接传递给需要被加热的物料，并是现阶段电阻炉的主要类型。而后者则是直接借助于物料本身所存在的电阻来进行发热。此外，电阻炉还可以根据炉膛形状的区别而将其分为箱式、竖井式以及直通式三大类型，一般将600℃～700℃作为低温，将700℃～1200℃作为中温，将1200℃以上的作为高温电阻炉。为了对电阻炉中的热工过程进行分析，需要对电阻炉进行适当的分类。一般从传热过程的角度出发，将其划分为辐射传热为主和传导传热为主两种类型。其中直接加热电阻炉只要是将电能直接连接在加热物料上面，并借助于该物料自身的电阻来产生热能，而且其所产生的温度与热量也与该加热物料的性质有着很大的联系。但是在直接加热电阻炉的应用过程中，其需要一定性质的炉膛才能够取得良好的加热效果，但是该类型电阻炉的优点在于能够使得物体的加热过程更加的均匀和较高，热利用率也极高，升温速率更是十分快速。然设计和制造该种类型的加热电阻炉却困难重重，这也就导致了其现阶段难以在工业生产方面得到广泛的应用。而间接加热电阻炉则需要借助于热传导以及辐射等方式来将热能传递给加热物料，但是其所使用的爐膛形状不需要受到任何的限制，因此在我国的工业制造上也得到了非常广泛的应用。

2 管式炉温度场测试方法简析

目前，测试管式炉温度场的依据标准多参照《热电偶检定炉温度场测试技术规范》，然实际应用时，不同的测试设备以及对于规程技术的理解也不尽相同，这直接影响了测试过程的规范性，也不利于计量标准化的展开。现阶段在进行管式炉温度场测试时多采用微差法以及多点测量法来进行。

2.1 微差法

微差法是一种常见的温度场测试方法，该测试方法是在炉膛之中直接插入固定标准热电偶和含有长度标志的移动标准偶，然后待其进行轴向移动后，来对不同深度的温度值进行测量工作，并借此得到该炉膛内温度场的分布情况。图1为微差法进行温度场测试时的示意图。

运用该方法进行测量时，首先在位于检定炉轴0点的位置上，固定牢固标准偶端，接着在中心测试定位管中直接插入移动标准偶，然后在-5～5cm的范围之内开始移动。设置炉温保持在测试温度点上，待炉温的稳定性等均达标之后，对其移动标准偶与固定标准偶的电动势差值进行测量，其测量的顺序呈现出递增。并计算出在任一点上测试的4次热电动势差值的算术平均值，然后换算出移动标准偶在任意一点位置上相对于0的差值，该换算出来的温度值即就是管式炉温度场的分布状况，运用微差法来进行温度场的测试时，其具备有操作简单的优势，并且只需要运用两支标准热电偶也就能够完成相应的测试。但是该测试方法也存在明显缺陷，具体来说就是对于每一个位置点上的温度测量不能同时开展，需要分时开展，需要较长的测试时间。同时，测量时需要对其中的一支热电偶进行移动，十分容易引起温度的扰动。

2.2 多点测量法

所谓多点测量法乃是捆扎多支标准的热电偶，使其成为一束，然后在炉膛之中的不同位置直接插入该热电偶束。这样一来，就能够一次性的测量不同温度下炉膛相应位置的温度值，最终求得炉膛内部的温度场分布。图2为多点测量法进行温度场测试时的示意图。

如图2所示，首先在直径大约为4mm的钢芯上面固定牢固9支热电偶，接着选用定位块来在管式炉的中心位置上支撑钢芯。接着设置炉温为测试需要的温度点，待炉温稳定之后并达到相关标准后，一次性测量上述9点位置的温度值。然后以中心为基准，分4次测试各个标准偶所得到的电动势值，并计算出4次测试值的算术平均值，接着将中心点位置的标准热电偶测试到的4次热电动势势值测出，同样求得其算术平均值，并将之前测试的算术平均值减去中心位置的算术平均值，然后换算出温度即可得到该管式炉的温度场分布状况。该测量方法的定位比较精准，测量时间也极短，能够节省一定的测试时间，然在测试过程中需一次性应用多支标准热电偶，成本相对较高。因此该方法仅仅能够用来进行试验的研究，难以得到有效的推广。

3 FLUENT软件在管式炉温度差的测量

3.1 FLUENT软件简介

FLUENT软件主要基于计算机流体动力学计算机软件群的概念之上，其需结合流动物理的具体特点，来采取针对性的数值解法。通过该软件来进行管式炉温度场的测量时，能够实现最优化的计算速度、稳定性和精度目标。FLUENT软件主要运用的一种近似解法——数值解法，其仅仅只能解得求解区域内部一些具有典型意义上未知量的近似值。相比较于传统的实验研究方法，该方法的优点如下：第一，造价低。计算机操作能够节省大量的人力资源，加之当前计算机技术快速发展，其硬件成本也相对不高，这样就能够大量降低测试成本。第二，计算效率高。计算机借助设计好的程序来进行相应数值的计算，不仅准确率高，且运行速度极快。第三，资料完备。在求解数值的过程中，可以收集整理一个完备的资料，进而提供所需计算区域内部的相关变量值，与实验室的测量情况不同，运用计算机技术能够在计算中涉及各个因素。

在进行数值求解的过程中，还需要按照以下步骤来进行：第一，首先应简化处理实际问题，并选用适宜的模型来构建相应的物理模型。第二，将之前物理问题之中的连续空间利用离散的網格来进行替代，网格之中的节点对应的就是所需要求解的物理量的几何位置。这种操作也可以称之为区域的离散化。第三，应依据相应的原则，将节点之上的位置量和相邻位置上的未知量之间的关系用相应的代数式表达出来，以便于有效控制方程的离散化过程。第四，运用相应计算办法，来计算构建起的代数方程式。第五，综合分析最终的数值结算结果，然后借助软件的三维展示功能，动态直观地表达计算过程，从而便于工程师们进行下一步的分析。

3.2 几何模型的建立以及网格的生成

第一，科学选择计算模型。由于炉子多采用辐射换热方式，结构整体较为简单。所以，具体求解时，可以选用FIUENT软件的DTRM模型，从而实现对相应数据的迭代计算。第二，科学定义物理性质。炉膛内部主要充斥的是空气，因而相应的物理特性也需要维持在一个默认值的状态下。第三，科学设置边界条件。科学设置圆柱形壁面的边界条件，由于测试管式炉的温度场的时候，一般需要将最高的使用温度控制在1000℃以下，并需要将壁面的温度设置成1000℃，也就是1273K。接着需要科学设置左右炉口位置的边界条件，主要原因在于管式炉运行时，左右两边的炉口需要利用保温材料来封堵，这样一来，炉口位置基本上处于一个绝热面的状态中，换言之，其热流恒定为0。

4 管式炉温度场均匀性的相关意见

管式炉可以借助于分段控温、减少内径以及增加长度的方式，来对其温度场进行改善，从而达到我国《热电偶检定炉温度场测试技术规范》中的相关要求。在实际的施工过程中，分段控温会使得操作变得非常复杂，小内径管式炉多用在检测贵金属热电偶和标准热电偶中，长管式则多应用在长热电偶检测中。若要运用上述三种方案，都需要相应的改造现有炉子的结构，从而全面提升管式炉的温度场指标。此外，当管式炉空载时，测试时其轴向温度场从中心至一侧的30mm范围内，最大温差为0.62℃，并且均能够达到两点间温差控制在1℃这一范围，最大温差可以达到2.26℃。但是在负载情况下进行温度场测试，其轴向温度场也就需要从中心至一侧30mm范围内，最大的温差能够达到2.26℃。因此，无法达到任何两点温差低于1℃这一要求。但是管式炉在运行过程中经常会出现过载运行的状况，这也就导致了对运行过程中的管式炉温度场测量过程中，往往难以取得一个良好的测试效果。

5 结语

管式炉在运行过程中，其温度场的均匀性往往也直接影响到整个管式炉的使用质量。但是在对其温度场进行检测的过程中，经常会受到过载运行等各种因素的影响，并难以取得一个良好的检测效果。这也就要求相关技术人员能够加强对管式电阻炉温度场均匀性的研究工作。

参考文献

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[2] 王浩.计量检测用管式电阻炉温度场均匀性的研究[D].东北大学，2010.

[3] 唐文彬.某型涡桨发动机燃烧室温度场热电偶动态响应规律的技术研究[D].南京航空航天大学，2013.