大型密封式高温设备温场校准方法的研究

王 喆，崔尧尧，孙 浩

（天津市计量监督检测科学研究院，天津300192）

大型密封式高温设备通常是指容积在0.15 m3以上[1]、密封式结构、内部具有加热和恒温功能的热处理设备，其中部分设备具有压力真空泵，可以制造压力或真空工作环境，它广泛应用于生物化学、化工制药、医疗卫生、农业科研、汽车和军工等制造研究领域，是一种非常重要的加工设备，其温场的准确性和真空密封性直接关系到产品质量[2]，目前国内没有统一的温场测试方法，在此，参考相关规范[3]，使用炉温跟踪仪和无线压力模块校准其工作区域内的温场均匀性、温度偏差、温度波动度和真空、压力密封性，为工业生产和科学研究提供技术依据[4]。

1 被测设备

在此以军工热压罐为被测设备，热压罐是一套实现温度、压力、真空、冷却等工艺参数时序化、实时在线控制的系统设备[5]，是很多行业重要工艺的加工设备，热压罐结构如图1所示，主要由罐体、密封装置、加热系统、压力系统、自动控制系统和安全机构组成。

热压罐罐体长7 m，高3.5 m；内部工作区域与外壳形状相似，为长6 m，直径3 m的横置圆柱体；恒温温度为室温～400℃，一般工作压力为0.3 MPa，最高工作压力为1.5 MPa；工作区域内温度均匀性为±2℃，控制压力偏差不超过10 kPa。

图1 热压罐结构Fig.1 Structure of autoclave

2 测量装置

2.1 炉温跟踪仪

测温装置由炉温跟踪仪、隔热箱、相变模块、铠装热电偶和无线传输模块组成，该装置技术指标见表1[6-8]。

表1 测温装置各部件技术指标Tab.1 Technical indexes of each component of temperature measuring device

隔热箱隔热箱采用耐高温不锈钢外壳，内部填充厚150 mm的金属氧化物纤维高温织物多孔隔热材料；内部凹槽放置金属相变模块；箱体由两部分扣接，拧紧锁扣，铠装热电偶可以从两侧缝隙中伸出箱体，相变模块中的材料具有吸热功能，在58℃左右从固态相变到液态并吸收热能[9]，温度保持一定的时间不变，从而尽量延长炉温跟踪仪在高温环境下的测量时间，隔热箱和相变模块实物如图2所示，炉温跟踪仪单体最高使用温度为80℃[10]，其实物如图3所示。

此外还有配套的测试软件，软件中可以输入铠装热电偶经过校准所得的温度修正值，20个通道可以逐个逐温度点修正。

图2 隔热箱和相变模块Fig.2 Thermal box and phase change module

图3 炉温跟踪仪Fig.3 Furnace temperature tracker

2.2 无线压力模块

测量压力参数使用TMI 无线压力模块，如图4所示，长时间使用的温度范围为0～140℃，测量范围为3～1500 kPa，允许误差为±1.2 kPa，可以存储超过40000个数据[11]；其允差的模不超过被测设备允差的1/5[12]，测量精度满足要求。在密封的工作环境记录数据，测试工作完成后去除通过软件系统读取。

图4 无线压力模块Fig.4 Wireless pressure module

3 测量方法

3.1 测量位置点

热压罐内部有3 层隔板，隔板上面有均匀分布的孔，日常使用时用于放置工件，在测量其温场时可以作为测温架，根据热压罐内部工作区域的大小、形状和测温架布置测温位置，总体原则是，测温位置要均匀地分布在热压罐工作区域中，热电偶的测量端不与罐体或者加热元件接触，其中，包括2个较为重要的测量位置：①工作区域的几何中心；②热压罐内控温偶的测量端处[13-15]。

隔热箱和无线压力模块的放置位置如图5所示，无线压力模块处于几何中心处，隔热箱放置在中间层方面铠装热电偶分布即可，以炉口为参照，测量位置分为“前”、“中”、“后”3个面，“前”与“后”的分布相同，每个面的分布位置点和各点间距如图6所示，图中，位置点7为控温偶测量端位置，位置点11为炉体工作区域的几何中心点[16-18]。

图5 测量位置Fig.5 Measurement location

图6 测量位置点的分布Fig.6 Distribution of measurement positions

3.2 测量程序

在空载的情况下测量热压罐的温场分布，测量温度在其上限温度400℃进行，由于无线压力模块的耐热上限为140℃，远小于测量温场温度，所以，要将热压罐的自动控制系统关闭，改为手动操作，先进行压力指标测量，再单独控温进行温场测量。

根据经验，热压罐从室温状态升温至400℃达到热平衡状态需要2 h，从400℃降至室温需要3 h，内部具有空气对流装置，因为测温装置要放置在高温环境内测量，为防止炉温跟踪仪被高温损坏，应严格控制测量时间，根据文献[10]，由各部件组成的测温装置，其正常工作的上限温度为1100℃，时间不超过30 min，测量装置的耐高温时间由以下5个条件经过加权计算得出：①最高温度；②持续时间；③平均温度；④工作环境（例如渗碳气氛或空气是否静止等因素）；⑤设备搬运，相变模块在最高温度为400℃，平均温度约为240℃，低速对流空气环境中，正常的工作时间不超过6 h，因此测温时间要严格控制在1 h 以内。

完成压力测量后，取出无线压力模块，在罐内放置好测量设备，将铠装热电偶按照计划进行布线，升温和恒温2 h 后，开始在线实时采集数据，采集间隔设置为3 min/次。采集结束后降温，待符合要求后安全取出测量装置。

4 测量结果

采集1 h的数据剔除异常值[19]后共有20 组，每组读数平均有20个，设定温度为400.0℃，显示温度为400.0℃；求取平均值后的热压罐温场分布见表2。

表2 热压罐温场分布结果Tab.2 Temperature field distribution results of autoclave

炉温均匀度Δθ+，Δθ-的计算公式为

式中：tp，max为各测温位置点实际温度的最大值，℃；tp，min为各测温位置点实际温度的最小值，℃；tc为几何中心点的实际温度，℃。

炉温稳定度δ+，δ-的计算公式为

式中：tc′为几何中心点读数的算数平均值，℃；ta为几何中心点测得的大于tc′的最大值，℃；ti为几何中心点测得的小于tc′的最小值，℃。

炉温稳定度Δt+，Δt-的计算公式为

式中：tb为标称温度，℃。

由表2 数据，按照以上各式进行计算，此外，炉内最大温差为每个测量周期内各测温位置点测得的最大值减去最小值；实测压力示值用平均值表示；罐体密封性截取其中5 min的压力波动即可[20]。得到的热压罐温场性能结果见表3。

5 结语

校准结果表明，该型热压罐的温场分布，上层板和下层半的温度相较于中层板更高，其中上层板温度最高；前、中、后3个测试面，靠近罐底的“前”面温度较高，靠近罐门的温度较低，炉温均匀度和炉温偏差满足要求，炉温稳定度较好，密封性和压力示值也在合理的范围内。

表3 热压罐温场性能结果Tab.3 Temperature field performance results of autoclave