干井爐的軸向溫度分布對現場溫度校準影響的實驗研究

張婧瑜，安 巍，姜熙成

(1.上海市質量監督檢驗技術研究院，上海 201114；2.同濟大學機械與能源工程學院，上海 200093；3.朝鮮平壤建筑綜合大學，朝鮮，平壤)

0 引 言

干井爐即干體式溫度校準器，以空氣作為校準介質。近年來，隨著工業生產自動化程度的不斷提高，工業現場溫度校準需求正日益增多[1-2]。企業中許多重要設備的溫度探頭與測溫系統一體化，很難拆裝后將其送至實驗室進行校準。為滿足企業需求，也為更加準確地測量整個系統的溫度，就需要進行現場溫度校準。相比于不便于攜帶，升降溫慢，以液體作為校準介質的傳統檢定爐槽[3]，干井爐以其無污染、操作簡單、便于攜帶，升降溫快、可用溫度范圍寬等優點[4]，被廣泛應用于食品、石化、制藥、半導體和其他制造業的企業現場計量和在線校準[5]。但針對市場上長短不一的溫度探頭[6-7]，干井爐測溫的準確性一直是困擾現場溫度校準人員的問題，其中干井爐軸向溫度分布是影響其準確性的重要因素之一。

目前對于干井爐的研究主要圍繞測量穩定性[8]、現場溫度校準方法[9]、溫度分布均勻性[10]等方面展開。干井爐軸向溫度的均勻性引起了學者的重視，但大部分的實驗以溫度探頭距離井底 50 mm以內的溫度分布為主[11]，較為系統的分析不同校準溫度下干井爐軸向溫度分布情況的實驗比較少見。因此本文通過實驗分析校準溫度與干井爐軸向溫度分布的關系，希望能為干井爐在現場溫度校準中的應用提供更全面可靠的實驗數據，以提高現場計量的準確性。

1 實驗方法

1.1 實驗臺搭建

選用美國福祿克現場計量干井爐FLUKE 9144（目前國內大部分省計量院和科研院所均選用該品牌，性能穩定，精確度高）作為研究對象，測量范圍為（50～660）℃。內置測溫儀的準確度范圍為± 0.01°C～ ± 0.07 ℃，均溫塊井深 150 mm。測溫設備選用二等標準鉑電阻配 FLUKE 1502A測溫儀（精度±0.021℃@500 ℃）。實驗臺如下圖所示：

圖1 實驗臺實物圖Fig.1 Laboratory furniture

圖2 測溫示意圖Fig.2 Schematic of measurement

1.2 實驗測試過程

實驗室環境溫度為(24 ± 1)℃，濕度為(60 ±5)%RH。標準鉑電阻外徑與測溫孔孔徑的間隙△d＜0.5 mm，鉑電阻與均溫塊井底的距離為h（如圖2所示）。

干井爐校準溫度分別為50 ℃、200 ℃、350 ℃和500 ℃，在不同的校準點，測量h分別為0 mm、50 mm和100 mm時的實際溫度值。為減小測量誤差，提高測量的準確性，在測試過程中，待干井爐到達校準溫度（即設定溫度）并穩定30 min后，每隔1 min讀取一次溫度，共讀取15次，取算術平均值作為此工況下的實測溫度值。此外，在實驗測試過程中使用同一根標準鉑電阻，并在同一個測溫孔內進行測溫，以減少標準鉑電阻與干井爐徑向均勻性所引起的測量誤差。

2 實驗數據分析

分別對不同校準溫度和標準鉑電阻插入干井爐深度的工況進行實驗研究。下面從兩個方面對實驗結果進行分析，實驗數據如表1所示：

表1 實驗數據Table 1 Experimental data

2.1 一校準溫度下，鉑電阻插入深度對測溫準確性的影響

圖 3中的(a)、(b)、(c)、(d)分別表示校準溫度為50 ℃、200 ℃、350 ℃和500 ℃時，鉑電阻插入深度與測溫準確性的關系?？梢园l現，實測溫度隨著鉑電阻距井底距離h的增加而不斷減少，且不呈線性變化。h由50 mm增至100 mm所對應實測溫度的降低程度明顯高于h，由0 mm增至50 mm時對應溫度的降低程度。干井爐的軸向溫度為非線性變化，由井底到井口方向的溫度梯度可表示為下式，單位為℃/mm。

dt—該方向上溫度的減少量，℃；

dh—距井底距離的增加量，mm。

圖3鉑電阻插入深度對溫度測量的影響Fig. 3 Influence of insertion depth on thermometry

可以發現由井底到井口方向的溫度梯度值會不斷增加，即沿著該方向，降溫幅度不斷增大。產生這一現象的原因大體有三方面：1. 溫度計的感溫區深度不盡相同，因此所感測的就是感溫區內不同軸向位置的溫度，從而引起測量誤差；2.井底熱量要經過輻射和對流換熱才能傳遞給探頭，測溫點離井底越遠，熱損耗就越大；3.測溫點越靠近井口位置，溫度計的感溫區越易受環境溫度及其它條件的變化而影響其準確性。

2.2 同一插入深度下，校準溫度對測溫準確性的影響

觀察圖4可以發現：隨著校準溫度的升高，干井爐的軸向最大溫差（見式（2））會越來越大。校準溫度為50 ℃時，軸向最大溫差僅為0.74 ℃，而當校準溫度為500 ℃時，軸向最大溫差驟升為15.78 ℃。

其中：△TMAX—軸向最大溫差，℃；

T0—實測溫度(h=0 mm)，℃；

T100—實測溫度(h=100 mm)，℃；

圖4 各校準點的軸向最大溫差Fig. 4 Maximum axial temperature difference

同時還可以發現：隨著校準溫度的不斷升高，距離井底越遠位置（h=100 mm）處的實測溫度與井底實測溫度的偏差也會越來越大。如圖5所示，以h=0 mm的實測溫度為基準，隨著校準溫度的增加，h=100 mm處的實測溫度會越來越偏離h=0 mm的曲線。

圖5 校準溫度點對溫度測量的影響Fig.5 Influence of calibration temperature on thermometry

溫度測量可以在任何溫度下進行，但當干井爐的校準溫度與環境差別過大時，溫度偏差通常會增加。當使用干井爐校準較低溫度時，實測值的準確性受軸向溫度分布影響較小。但當校準溫度比較高時，軸向溫度的不均勻性對其測溫準確性的影響比較大，不可忽略。

綜上可知，在使用干井爐進行現場溫度校準時，應注意以下兩點問題：1. 因為由井底到井口方向的降溫幅度會不斷增大，溫度探頭插入深度應盡量靠近井底進行測溫，盡量避免在井口附近校準溫度探頭；2. 當溫度探頭比較短時（＜100 mm），校準溫度對溫度準確性的影響較大。校準溫度越接近環境溫度，測溫的準確性越高。校準溫度比較高時，溫度偏差會加大，此時不建議再使用干井爐進行較短溫度探頭的校準。

3 結論

井爐被廣泛應用于企業現場和在線溫度校準，但受被校溫度探頭長度尺寸的影響，無法滿足其始終在井底部被測量的條件，因此干井爐的軸向溫度分布是影響其測溫準確性的重要因素之一。本文通過實驗研究了干井爐的校準溫度和軸向溫度分布的關系，找出現場校準中應該注意的問題，為干井爐在現場溫度校準中的應用提供更全面可靠的實驗數據，為提高現場溫度校準的準確性提供了實驗數據和應用參考。

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