基于热电偶实现精确校验电阻炉设计的思考

张文云

（晋中市综合检验检测中心 山西晋中 030600）

1 前言

电阻炉初次使用或使用时间较长之后，容易出现温度误差，这种情况下，需要对电阻炉进行温度校准，而传统的用于电阻炉校准的测温支架，部分只能固定单一测温元件，不仅安装、拆卸不方便，且在电阻炉内的分布点不够，因此其测试的准确性不够精确；部分虽然能够对多点进行检测，但是测温架的大小无法调节，因此测温元件对各点的检测位置是固定的，仅适用于同一空间大小的电阻炉，灵活性较差。

因此，如何提供一种拆卸方便且能够对电阻炉内部进行均匀检测，还能适应不同空间大小的电阻炉的测温装置，是该领域技术人员亟需解决的问题。基于此，本文针对热电偶实现精确校验电阻炉设计进行研究。

热电偶是较为常见的测温元件。在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。在温度测量方面，热电偶在工业生产中的应用极为广泛，具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远程传输等诸多优点。热电偶外形多样，其需求也呈现多样化，但大部分的机构是类似的。

热电偶的配套设备有电子调节器和记录仪器等，组成的构件有热点极、绝缘套保护管和接线盒等。热电偶获得温度信息后，会利用二次仪表进行转化，得到被测介质的实际温度。可以说，热电偶的性能较为稳定，有着广泛的使用范围，且在－40℃~1600℃的条件下均可实现连续测温，装置便捷，使用寿命周期长[1]。热电偶测温系统主要由4个部分组成：数据采集模块、转换模块、单片机控制及其外围、液晶显示模块，详见图1。此外，由于热电偶是一种无源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，因此常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。

2 基于热电偶实现电阻炉精确校验

2.1 热电偶校验原理

热电偶经过一段时间的使用，会出现测量误差。其原因是测量段在长时间的高温作业下，会出现氧化腐蚀，热点性能会随之发生改变，基于这一问题，为保证热电偶的精准性，需要对其进行校验。

本文研究的电阻炉测温装置，其组装、拆卸方便，便于收纳，且能够对电阻炉内部的8个角和中心部位进行多点检测，还能够适用于不同空间大小的电阻炉，不仅检测较为灵活，热电偶的安装和拆卸也较为简单，见图2。

电阻炉安装时，把热点偶插进电阻炉的内部，中间的缝隙一定要用石棉绳填满，根据具体的电阻炉型号和控制器型号，连接线图、电源线、电炉线和热电偶线，注意不要把正负极接反，在电源引入处另接上电源开关以便控制电源。为保障操作者的安全，电阻炉与控制器必须装有可靠的接地。

2.2 电偶校验电阻炉的特点

温度测量和参数输入等是电阻炉控制系统必备的性能，且具有较强的控制作用，通用性较好[2]。电阻炉的系统硬件包括单片机、温度检测与处理电路、键盘与显示接口电路、声光报警电路以及计时电路等，详见图3。

通常电阻炉是间接加热，有专门的电阻体，又称为电热体，来实现电热的转化，进而输入热能。电阻炉的炉壳是由钢板制作而成，在加热物料的过程中，电热功率会较为集中[3]，在很短的时间内就可以加热物料，部分电阻炉的温度甚至可以高于2 500℃。

2.3 基于热电偶实现电阻炉精确校验设计

使用热电偶对其进行校验，具有较为直观的测量性能，在这样的情况下，可以允许被校热电偶和标准热电偶形式的多样化。可以将其直接放置于电阻炉内部，通过顶部测温架、中部测温架和底部测温架分别对电阻炉炉膛内部的8个角和中心部位进行温度采集。结合多点温度检测，能够对电阻炉的温度进行准确校准；其伸缩杆的设计，不仅能够对同一电阻炉内部的不同位置进行温度检测，还能够通过伸缩以适应不同空间大小的电阻炉，详见图4。

对热电偶进行检定的过程中，必须严格按照国际温标ITS-90的规定，各类热电偶要和被检热电偶必须置于同一温度条件下，若检定炉内出现较大变化，则采集的信息是不精确的，需要使用温度控制器，让检定炉的温度能够在较短的时间内满足被检温度点，让温度点保持稳定[4]。

结合热电偶中间温度定律，为提高系统的测量精度和稳定性，需要简化电路设计，通过计算机软件来实现滤波、非线性和冷端补偿等功能，进行冷端补偿和非线性矫正。具体电路设计见图5。

2.4 注意事项

通常情况下，电阻炉在使用一段时间后，加热体会出现下坠、膨胀或变软等问题，为能够在高温条件下，保证炉丝的轻度，避免出现上述问题，需要对炉丝的机构尺寸进行优化设计，比较常见的有螺旋形电阻丝。在加热体的安装过程中，要与炉衬靠紧，同时要留出一定的膨胀空间。

3 结论

基于热电偶精准校验电阻炉的设计中得知，由于热电偶热节点的热容量是有限的，因此会出现校验误差，一般情况下，通过介质吸收到一定的热量，热节点出现温度变化，在调整的过程中，被检测介质的温度会有波动，带有一定的滞后性，所以测出的问题与实际温度有偏差，这种误差是动态的。在高温的条件下，也会产生让线路一定的热量消耗，需要进行补偿处理[5]。

电阻炉温度的检测和控制直接与能耗、生产效率、产品质量、安全生产等重大技术指标相关联，为了能快速，准确检测与控制电阻炉的温度，在今后电阻炉校验中，我们要进一步做好传感器信号的处理，从而使得热电偶在电阻炉的校验中发挥更好的作用。