热电偶检定炉应用进展

于韶颖

（青海省计量检定测试院，西宁 810000）

0 引言

开展热电偶检定工作需要用到电测仪表、热电偶检定炉、退火炉和其他配套设备，其中电测仪表具有一定的通用性，而热电偶检定炉则为最重要的专用设备，其技术发展对热电偶的检定和使用极为重要。当前采用热电偶检定炉开展检定工作，依然存在耗时长，工作繁琐等问题。

热电偶检定装置总体在往自动方向发展，检定效率持续提升。自动恒温、自动记录及生成符合国家计量检定规程要求的检定记录及检定证书成为了极具吸引力的重要功能。结合计算机数据处理快及准确的优点，集成微机系统的智能化热电偶检定装置，其应用大大降低了检定员的劳动强度，同时提升了数据处理的可靠性。

本文聚焦于热电偶检定炉领域，调研了相关的理论技术进展以及行业产品进展，从这两个层面进行了综述。

1 热电偶检定炉理论技术进展

1.1 多温区加热控温技术

于凡[1]在附带风冷降温功能的管式热电偶检定炉研制中，采用了多温区技术，最终获得了长度为100mm的温场，均匀度达到0.165℃。张雪峰[2]针对传统的管式热电偶检定炉温场的不同温度下温场指标表现不一致且无法调节，测试结果不确定度偏大的固有问题，通过改造管式电阻炉的控温方式，即通过三段控温的方法降低了校准时的测量不确定度。上述工作的测试结果验证了三段控温的可行性，获取了满意的测试结果。

在多温区技术方面，康斯特仪表提出一种物理分区加热方案[3]，加热区分三段并独立控制，解决峰值电流过大，且获取了更长的中心均温区，且通过不同加热模式实现了多种工作模式（长炉、短炉及退火炉）。FLUKE公司提出一种方案分时间专利技术[4]，将加热过程分成3个时间阶段，通过分时加热这种加热丝的重新串联配置方法，解决峰值电流过大的问题。

1.2 短型热电偶相关

现行的热电偶检定炉温度场测试技术规范是JJF1184-2007《热电偶检定炉温度场测试技术规范》[5]，该规范为（300～1500）℃范围内包括带控温器和不带控温器的卧式管式检定炉温度场的测试提供了依据，也为立式管式检定炉、退火炉的测试提供了标准，规范中明确区分了检定炉和短炉。

传统的测量设备和测量方法在高温区往往无法准确测量短型热电偶的示值偏差。王喆等[6]通过实验找到其测不准的原因，设计研发接线端恒温器，在一定程度上减小不确定度，同时也验证了采用接线端恒温器的新的校准方法校准短型偶更为准确。宋光政[7]探讨了基于CST4001全自动温度检定系统的短型廉金属热电偶的校准方法，进行了校准的不确定度来源分析和评定。葛纪全[8]介绍了一种短型热电偶校准装置，阐述了该系统的工作原理和结构组成，并通过试验的方法对热电偶传感器特性进行校准研究，实现了对短型热电偶温度特性进行准确评价，还有学者对热电偶引线直径与测温偏移开展了研究。Pavlasek等[9]介绍了不同直径热电偶在210多个小时高温下测试的电压输出变化，建立了电压漂移水平与热电偶引线直径之间的关系，并创建漂移函数，表达了漂移率和热电偶引线直径之间的依赖性。

1.3 控制及自动化

张雪峰[10]发展了热电偶自动检定系统，其通过编写自动检定软件完成整个系统的调试工作，并将该方法在上海市计量测试技术研究院的工作用廉金属热电偶校准装置上试验，获得了稳定的运行效果。卯声松[11]针对热电偶检定耗时的问题，利用继电器切换开关代替机械运动型切换开关，缩短数据采集时间；开发系统软件，实测结果表明，系统自动工作获取的数据，扩展不确定度的最大值为0.64℃（最大允许误差的2/3），热电偶自动检定系统测量精度满足要求，达到了热电偶自动检定目的。冯冬青等[12]为了提高热电偶检定炉温度的控制性能，研究了检定炉模型的在线辨识方法和控制器参数的自整定方法，设计了检定炉温度智能控制系统，其试验结果表明基于RBF神经网络的控制器在200℃～1200℃之间对检定炉温度控制的性能指标优越于传统PID控制器。魏锦俊[13]提出了利用计算机技术、自动控制技术和数字化技术相结合的新型热电偶自动检测模式，给出了多参数数据采集、数据修正、数据存储和报告判定的总体构架，进一步开发了热电偶自动检定系统，经实际运行，系统运行稳定，操作便捷，可以满足热电偶计量器具检测工作需求。

刘礼威[14]针对检定接线复杂，传统PID控制器在工作环境变化时调节时间与精度较差的问题，设计了结合模糊算法与传统PID算法的模糊PID控制器，获得了响应特性优于传统的PID控制器，稳态精度更高，超调量更小的炉温度控制系统。陈磊[15]针对热电偶检定工作人力投入大及人为因素带来不确定度等问题，基于图像化编程语言LabVIEW和计算机控制技术，使用LabVIEW开发了上位机软件，系统具有检定时间快，控温精度高的优势。孟卓珩等[16]从工作用廉金属热电偶检定规程所确定的检定原理和计算方法出发，结合标准热电偶热电动势的计算方法，设计出一套软件，可根据标准热电偶证书值和被检热电偶待检温度点、热电动势实测值，自动计算被检高温热电偶在（300～1100）℃全量程范围内的温度偏差并判断检定结论。刘成超等[17]根据热电偶检定炉温度控制过程的特点和要求，构建了以AT89C52单片机为检测控制中心的智能控制系统，由单片机、热电偶、A/D转换芯片、SCR模块等构成，通过软件编程实现精确控制，具有线路简单，精度高，响应快，显示直观，使用方便等特点。刘慧英等[18]针对传统热电偶检定软件修改和升级比较麻烦的问题，提出了一种基于组件式设计思路的检定软件方案，经现场测试，可自动完成热电偶的检定工作。组件式的设计及开发思路给本领域软件的编制、修改和升级带来了方便，具有借鉴意义。

1.4 炉体工艺技术

强化热辐射技术：陈军2017[19]为降低能耗，减少大气环境的污染，采用黑体技术对加热炉进行了强化热辐射技术改造。虽然不是在检定炉领域内的工作，但由于加热原理的相同性，其工艺改进值得本领域进行学习。该工作通过热辐射材料进行强化处理炉膛内衬，调节炉衬辐射方向，增加传热面积，减少热损失，达到强化传热效果，最终炉温均匀性和稳定性得到提高，在加热量基本相同的情况下，能耗明显降低。

高温漏电问题的解决：热电偶检定炉在高温条件下漏电现象几乎是一个行业通行问题，市售大量产品存在此缺陷。检定炉在检定1000℃以上的温度点时，随着温度的升高，材料中的自由电子运动能力增强。高温会导致炉管材料的绝缘强度下降。由于在热电偶检定过程中，需要人工对检定炉的热电偶位置进行更换，漏电问题不仅会影响加热功率的稳定性，导致测量值发生波动从而影响测量结果，还会导致检定炉发生漏电等问题，严重威胁操作人员的生命健康安全[20]。经分析，刚玉管高温漏电会在被检偶和标准偶上产生很强的共模电压，如果测量表隔离强度不够，会造成测量值波动大的问题，从FLUKE 9118A[21]公开的资料看，尚未解决这个问题。北京康斯特公司的ConST683A[22]在结构硬件上进行创新，采用特殊结构设计，增设接地屏蔽罩，彻底解决了漏电问题，实测全温度区间均无漏电现象。该解决方法给热电偶检定炉的工艺设计提供了重要参考。

均热块：针对传统单温区检定炉温场指标不佳，检定炉满载时温场的技术指标不符合要求，以及检测时管式炉温场的波动大的问题，侯素兰[23]设计了杯式高温合金均温块与管式炉配套使用，提高了温场的技术指标，减小了温场的波动，可满足不同直径热电偶的检测。实测显示：放置杯式均温块的技术指标比未放置杯式均温块的提高了很多。

1.5 其它理论技术工作进展

王浩[24]发现现有的管式炉温场指标在空载时测试可以达到标准，但在放置被校准铠装偶（即满载）时，温场均匀度不能达到标准。其测试显示在管式炉内放置均温块可以达到改善温场的效果，这种方法既简便又节省了更换校准设备的投资，对推动国内校准部门改进铠装热电偶校准装置有借鉴意义。刘晓青等[25]针对热电偶检定效率低下的现状问题，通过分析热电偶检定整个工作流程现状，制定了基于实际需求的高效检定流程，达到了提高热电偶检定效率的目的。

2 热电偶检定炉设备进展

2.1 国外进展情况

国外的热电偶检定炉起步早，积累了一定优势，在国际市场上占据了高端产品市场的大部分份额。美国FLUKE公司[21]开发的9118A型热电偶检定炉内置了温度控制器，不需要使用外置温控装置和电脑就可以实现标准的温度源。炉内采用双区的温度控制，以实现温度均匀性和迅速的加热速率。其加热器内嵌于耐火的陶瓷纤维材料中，形成了一套两件式的加热组件。

ISOTECH公司出品的球状热电偶检定装置Model Saturn 877[26]极为独特，由多个同心外壳组成。旋压金属外壳用于容纳和支撑，里面是一层陶瓷纤维，内部是一个陶瓷球形罩，其中包含加热器绕组。炉子中间是一个带有8个或16个管子的实心铸陶瓷球，用于容纳需要校准的热电偶。该产品在许多方面都具有领先性：球形确保了恒温的中心区域，热电偶围绕校准球的圆周插入后，测量接头位于球体中心，彼此相距几毫米；最多可以同时校准15个热电偶，在1000℃温度点精度介于±0.25℃和±0.1℃之间使用新开发的现代陶瓷材料，可以获得高精度、低质量和高稳定性。

2.2 国内进展情况

国内的热电偶检定炉起步比较早，但是直到近几年才有快速发展，部分产品达到了国际领先水平。北京康斯特仪表于2020年推出的ConST683A智能标准炉[22]面向国际市场，它的智能自动化水平、核心温场指标、整机设计、操作便利性、控温速度、灵活性等方面都有全新的升级，极大地提高了检定/校准的效率。由于采用了独立的三段控温技术，3支独立的控温偶实时监测温场状态，应用智能控温算法，保证温场指标；同时，独立温区技术带来附加功能，可以用作600mm检定炉、300mm检定炉和1100℃点退火炉，同时实现了3种功能，具有显著的经济性。产品使用外风道散热设计，在检定炉内部达到1200℃的高温时，外壳温度只有30℃左右，提高了产品整机的安全系数。此外，针对行业普遍存在的高温漏电问题，ConST683A采用创新技术和特殊结构设计，避免了高温漏电的安全隐患。该产品的推出打破了国外品牌对高端市场的垄断地位，通过下文的参数对比表，结合ConST683A型本身的智能自动化操控系统，可认为其代表了国内和国际热电偶检定炉的最高水准。

3 热电偶检定炉发展展望

本文针对热电偶检定，及关键设备热电偶检定炉进行了调研，分析整理了相关理论、工艺技术进展情况，以及整机及市场产品进展两个层面进行了综述。结合综述情况，对热电偶检定炉发展展望如下：

1）理论技术层面，在本领域发展最为活跃，但是工作分散度高，且存在大量相似重复的工作，系统的规律性总结较少见，不利于形成行业理论共识，需要更多的系统性研究论文进行支撑。

2）检定炉产品领域，近年上市的产品数量众多，而具有显著创新的产品则较为少见。具有最高温度指标，最高自动智能化水平的产品，才是代表未来的产品。

3）热电偶的检定工作繁琐，其操作执行耗时耗力，始终是领域工作的一大痛点。本领域的发展应从理论、系统化设备、自动化程序多角度、系统性地规划和架构，推进行业进展，实现热电偶检定的全流程自动智能化，助力制造业效率升级。

表1 典型热电偶检定炉产品对比表Table 1 Comparison table of typical thermocouple calibration furnace products

[5]国家质量监督检验检疫总局.热电偶检定炉温度场测试技术规范:JJF1184-2007[S].2007.

[6]王喆,余松林,沈文杰,等.校准短型廉金属热电偶相关问题的研究[J].计量学报,2020,41(06):650-655.

[7]宋光政.短型廉金属热电偶校准方法研究及不确定度评定[J].计量与测试技术,2017,44(02):66-68.

[8]葛纪全,刘红,孟繁伟,等.一种短型热电偶校准装置[J].计量与测试技术,2016,43(10):93-94.

[9]Pavlasek P, Duris S, Palencar R. Base metal thermocouples drift rate dependence from thermoelement diameter[J]. IOP Publishing:01,2016.

[10]张雪峰.热电偶自动检定系统的研究和改进[D].上海:上海交通大学,2016.

[11]卯声松.精密热电偶自动检定系统研究[D].昆明:昆明理工大学,2020.

[12]冯冬青,李现旗.基于RBF神经网络的检定炉温度控制系统[J].仪表技术与传感器,2014(01):61-63.

[13]魏锦俊.热电偶自动检定系统的研发[D].杭州:浙江大学,2017.

[14]刘礼威.热电偶自动检定炉模糊PID温度控制系统的设计[J].无线互联科技,2019,16(05):72-75.

[15]陈磊.基于虚拟仪器的工作用S型热电偶检定系统的研究[D].昆明:昆明理工大学,2016.

[16]孟卓珩,方信昀,包可瑜.工作用高温热电偶全量程检定计算软件的设计与实现[J].计量与测试技术,2013,40(03):37-39.

[17]刘成超,刘会兵,段宁,等.管式热电偶检定炉温控系统的设计[J].装备制造技术,2010(09):58-60.

[18]刘慧英,江豪,李斌,等.组件式热电偶检定软件的设计与实现[J].测控技术,2011,30(03):72-74,78.

[19]陈军.加热炉强化热辐射技术的实践[J].设备管理与维修,2017(05):150.

[20]Wu Shao-Hua, Qin Xiao-Hong. Effects of the stabilization temperature on the structure and properties of polyacrylonitrile-based stabilized electrospun nanofiber microyarns[Z].2014:303-304.

[21]https://cn.flukecal.com/products/temperature-calibration/industrial-calibrators/thermocouple-furnaces[EB/OL].

[22]https://www.constgroup.com/cn/jiandinglu.html[EB/OL].

[23]侯素兰,乔新红,苗丽.杯式高温合金均温块的实验研究[J].中国计量,2015(01):81-83.

[24]王浩,侯素兰,徐宏光,等.管式热电偶检定炉均匀温场的研究[J].中国计量,2010(10):79-81.

[25]刘晓青,刘芳.提高热电偶检定工作效率方法探讨[J].计量与测试技术,2015,42(08):37-38,41.

[26]https://www.isotechna.com/Thermocouple-Calibration-Furnace-p/877.htm[EB/OL].