一種淺式微型溫度校驗爐及校驗方法
【專利摘要】本發明涉及溫度檢測元件校準，屬于測量校準領域。一種淺式微型溫度校驗爐，其特征在于包括圓柱體爐芯，爐芯內設置有安裝待測溫度檢測元件的插入孔，圍繞插入孔的為均溫塊，環繞爐芯外圓周套裝有陶瓷電熱管，所述陶瓷電熱管外套裝有環形爐膛，在所述爐膛內環繞爐芯均勻設置有多個小型加熱棒，所述爐膛外包裹著保溫層，在爐芯和爐膛下方還設置有監測用溫度傳感器安裝板，用來安裝控溫的鎧裝鉑電阻，爐芯內有從下往上的控溫孔，鎧裝鉑電阻從底部往上伸入到爐芯的控溫孔內，在所述保溫層外有爐體外殼，上面設置有上蓋，鉑電阻安裝板下方安裝有下蓋，下蓋中間有風孔，下蓋下方為爐體底座，所述爐體底座內設置有風扇。
【專利說明】一種淺式微型溫度校驗爐及校驗方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及溫度檢測元件校準，尤其涉及一種淺式微型溫度校驗爐及校驗方法。
【背景技術】
[0002]隨著工業生產自動化程度的不斷提高，工業生產企業對現場校準的需求日顯突出。現場測溫校準裝置被越來越多地用于工業溫度現場校準。在許多行業中需要對溫度進行檢測與控制。常用的溫度檢測元件為鉑電阻、熱電偶溫度計，檢定/校準時通常使用水浴或油浴等恒溫槽作為恒溫場，這類恒溫槽的溫度均勻性較好穩定度高，受外界溫度影響小，但這類恒溫槽的體積都較龐大，溫度穩定時間較長，無法滿足現場快速檢定或校準的需要。
[0003]目前，國外已研制成功用于現場快速校準的各類干體溫度校驗爐。溫度校驗爐主要包括高準確性干井校驗器、工業用干井校驗器、熱電偶校驗器等幾大類型。其溫度測試范圍從-45°C到1200°C ;溫場準確性一般為±0.1°C左右；溫場波動度一般為±0.01°C左右；溫場均勻度一般為±0.05°C左右。它以空氣作為校準介質，體積小、重量輕，因此被越來越多地應用于現場校準工作。
[0004]但是，現場校驗有一些特殊尺寸的溫度傳感器，例如短支(40-50)mm的鉑電阻或熱電偶傳感器，以及短支的或直角的熱敏電阻溫度傳感器等都無法使用溫度校驗爐作為校準配套設備來使用，因為，現在所有的溫度校驗爐基本都是將控溫精度保持在爐心底部。只有被檢溫度傳感器能插入至溫度校驗爐底部，才能保證計量的準確性。而目前世界上最小的溫度校驗爐的井深為102mm，當被檢溫度傳感器的長度低于102mm時，目前就無法對該傳感器進行現場溫度的校準。
[0005]比如目前在線校驗的石油用開口 /閉口閃點測定儀、自動蒸餾儀、冷凝儀、空調實驗平臺，實驗室及車間環境溫度檢測系統，甚至包括飛機發動機實驗平臺及核電項目的溫度傳感器都是尺寸很短，規格特殊(有些是直角的)的PTlOO或是熱電偶，這些傳感器都裝配在設備上，無法拆卸，只能對其傳感頭進行在線校準。特別是石油用開口/閉口閃點測定儀，屬于量大面廣的儀器，與石油相關的生產及檢測企業都配備了至少兩臺的閃點儀，該種儀器是通過對溫度的精密檢測，間隔時間點火掃描來測量油液的閃點。其溫度傳感器尺寸短，最長的不過60mm，因此用現有設備我們無法對該種儀器進行準確和便捷的現場測量。還仍然使用標準油液樣品對閃點儀進行檢測，但此種方法測量不確定度相當高，溫度點固定，無法對閃點儀使用溫度全范圍進行校準，且標準油液樣品不易保存，使用有效期相當短(一般只有一年時間)。
【發明內容】
[0006]本發明所要解決的技術問題是提供一種淺式微型溫度校驗爐及校驗方法，解決現在恒溫槽的體積都較龐大，溫度穩定時間較長，無法滿足現場快速檢定或校準的需要，而溫度校驗爐的控溫精度在爐心底部且井深固定，無法對一些特殊測溫元件進行校驗的缺陷。
[0007]技術方案
[0008]一種淺式微型溫度校驗爐，其特征在于:包括圓柱體爐芯，爐芯內設置有安裝待測溫度檢測元件的插入孔，圍繞插入孔的為均溫塊，環繞爐芯外圓周套裝有陶瓷電熱管，所述陶瓷電熱管比爐芯稍長，部分底部包住爐芯，所述陶瓷電熱管外套裝有環形爐膛，在所述爐膛內環繞爐芯均勻設置有多個小型加熱棒，所述爐膛外包裹著保溫層，在所述爐芯和爐膛下方還設置有監測用溫度傳感器安裝板，用來安裝作為監測用溫度傳感器的鎧裝鉑電阻，爐芯內有從下往上的控溫孔，所述鎧裝鉑電阻安裝在監測用溫度傳感器安裝板上，從底部往上伸入到爐芯的控溫孔內，在所述保溫層外以爐體外殼將從內至外的爐芯、陶瓷電熱管、爐膛和保溫層均包裹起來，上面設置有上蓋，鉑電阻安裝板下方安裝有下蓋，下蓋中間有風孔，下蓋下方為爐體底座，所述爐體底座內設置有風扇。
[0009]所述爐芯內插入孔的井深小于等于60mm，所述控溫孔的井深大于等于40mm。
[0010]所述均溫塊采用多塊可替換均溫塊拼接，使爐芯內插入孔具有多種直徑，均溫塊采用紫銅材質制作。
[0011]所述陶瓷電熱管的功率為500W，所述小型加熱棒的功率為25W，所述小型加熱棒以爐芯的中心點為圓心等角度配置有6個，在所述加熱棒的放置孔旁，近爐膛圓心位置還設置有半圓的從上至下的導風槽。
[0012]所述陶瓷電熱管、小型加熱棒和風扇均通過高溫導線與溫度控制儀電連接，所述鎧裝鉑電阻也與溫度控制儀電連接，溫度控制儀接收鎧裝鉑電阻傳送的溫度信號，控制陶瓷電熱管、小型加熱棒和風扇使爐芯內的溫度快速達到和維持在需要的溫度上。
[0013]所述溫度控制儀包括用于設定測試校準溫度點的溫度設定模塊和控溫模塊，所述控溫模塊采用PID控制，根據設定的校準溫度和鎧裝鉑電阻傳送的實時溫度變化分別控制連接的陶瓷電熱管或/和小型加熱棒的加熱功率，以及降溫控制模塊，控制連接的風扇的轉速。
[0014]一種應用上述的淺式微型溫度校驗爐進行溫度檢測元件校驗的方法，其特征在于包括以下步驟:(1)將待測溫度檢測元件插入到所述爐芯內的插入孔中；(2)將一根AA級PT100鎧裝鉑電阻作為監測用溫度傳感器從底部往上伸入到爐芯的控溫孔內；(3)所述溫度控制儀按照設定的校準溫度點，校準溫度點應在50-300°C范圍內進行選取，不少于三個溫度點，溫度控制儀的控溫模塊選擇以小型加熱棒加熱，或者陶瓷電熱管和小型加熱棒同時加熱，同時風扇啟動，以較低的轉速運轉；(4)當鎧裝鉑電阻傳送的實時溫度接近校準溫度點時，控溫模塊降低陶瓷電熱管輸出功率或者小型加熱棒實時降低加熱功率，同時陶瓷電熱管以較小輸出功率間歇式加熱，使整個溫控過程平穩；(5)待溫度達到穩定后，分別記錄待測溫度檢測元件的顯示值和鎧裝鉑電阻的測量值，記錄時間不少于10分鐘，測量速度為每分鐘一次，在每一個校準點上進行兩次測量，在改變校準點設定時，在設定溫度上升時測量一次，在設定溫度下降時進行另一次測量。
[0015]當校準溫度點設定在50_100°C時，采用小型加熱棒加熱，陶瓷電熱管停止或以較小的輸出功率間斷性進行加熱工作，當校準溫度點設定在100-300°C范圍內工作時，陶瓷電熱管和小型加熱棒兩種加熱方式同時進行實時調整加熱功率。
[0016]校驗爐開機時，風扇就會啟動，以較低的轉速運轉，當鎧裝鉑電阻監測的實時測定溫度與設定溫度點的比例差值過大時，通過開關電源調整電壓，使風扇全速運轉，通過強制對流降溫的方式，使實際溫度迅速接近修正值。
[0017]在所述步驟4中，當接近校準溫度點溫度振蕩時，振蕩趨向設定溫度點時，控溫模塊減小PID參數值，降低控制強度，減少超調和振蕩；振蕩偏離設定溫度點時，加大PID的參數值，增強控制作用，更快的將溫度拉回到校準溫度點。
[0018]有益效果
[0019]本發明的淺式微型溫度校驗爐和校驗方法以兩種溫控結構組合和分段式控溫方法，且采用多檔風扇控制降溫，能使在井深小于等于60_時，很快使校驗爐內部的溫場達到平衡，便于進行測試，提高測試精度，不僅能用于短支溫度檢測傳感器的校準及現場在線校準，而且校準的精度很高；采用能夠更換的均溫塊設計，在爐芯上下增加上下蓋，能夠對特殊尺寸的溫度傳感器進行替換校驗。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明的淺式微型溫度校準爐的內部結構示意圖。
[0021]圖2為本發明的爐芯的俯視示意圖。
[0022]圖3為本發明的爐膛的俯視示意圖。
[0023]圖4為圖3爐膛的A-A剖視示意圖。
[0024]圖5為本發明的控制框圖示意。
[0025]圖6為本發明的電路連接示意圖。
[0026]其中:1-爐芯，2-插入孔，3-陶瓷電熱管，4-爐膛，5-保溫層，6-監測用溫度傳感器安裝板，7-控溫孔，8-爐體外殼，9-上蓋，10-下蓋，11-底座，12-小型加熱棒安裝孔，13-導風槽，14-安裝孔。
【具體實施方式】
[0027]下面結合具體實施例和附圖，進一步闡述本發明。
[0028]現在小型溫度校驗爐基本上采用底部加熱的方式，而對于短支(40-50)mm的鉑電阻或熱電偶傳感器需要檢測校驗的爐芯深度只能有45mm左右，故采用底部加熱的方式完全無法到達需要的控溫準確度和波動度要求。
[0029]研發過程中，借鑒了高溫溫度校驗爐的加熱方式將500W的加熱絲布置在均溫塊圓周方向，但是，通過實驗發現控溫效果不理想，溫度波動度很差。因此在爐膛四周再均勻打6個孔，插入2-6根25w的加熱棒，降低溫度波動度，有效控制升降溫過程中出現的溫度過沖或過降的問題。
[0030]完善設計后的淺式微型溫度校驗爐，包括圓柱體爐芯，爐芯內設置有安裝待測溫度檢測元件的插入孔，圍繞插入孔的為均溫塊，環繞爐芯外圓周套裝有陶瓷電熱管，所述陶瓷電熱管比爐芯稍長，部分底部包住爐芯，所述陶瓷電熱管外套裝有環形爐膛，在所述爐膛內環繞爐芯均勻設置有多個小型加熱棒，所述爐膛外包裹著保溫層，在所述爐芯和爐膛下方還設置有監測用溫度傳感器安裝板，用來安裝控溫的鎧裝鉑電阻，爐芯內有從下往上的控溫孔，所述鎧裝鉑電阻安裝在所述監測用溫度傳感器安裝板上，從底部往上伸入到爐芯的控溫孔內，在所述保溫層外以爐體外殼將從內至外的爐芯、陶瓷電熱管、爐膛和保溫層均包裹起來，上面設置有上蓋，鉑電阻安裝板下方安裝有下蓋，下蓋中間有風孔，下蓋下方為爐體底座，所述爐體底座內設置有風扇。如附圖1所示為內部結構示意。
[0031]所述爐芯內插入孔的井深小于等于60mm，附圖1的結構實施例中采用45mm。因為現場校驗溫度傳感器時，經常遇見直徑不同的傳感器，所以本項目設計的溫度校驗爐的爐芯內插入孔的直徑尺寸從3.2mm-6.5mm,見附圖2示意，而且均溫快可以更換，采用多塊可替換均溫塊拼接，并采用紫銅材質制作。所述陶瓷電熱管的功率為500W，所述小型加熱棒以爐芯的中心點為圓心等角度配置有6個，每個小型加熱棒的功率為25W，在所述加熱棒的放置孔靠圓心位置還設置有半圓的從上至下的導風槽，風扇吹出的空氣能通過導風槽自下而上的排出爐芯，起到對流的作用，附圖3和4為爐膛結構示意。
[0032]在均溫塊的底部是放置控溫用溫度傳感器的。在設計初，將控溫用溫度傳感器的插入深度定為20_，結果發現溫控溫度與實際溫度有3-4度的差異。通過反復試驗發現:因為控溫用傳感器在均溫塊中插入深度過淺，與外界熱交換頻繁，所以顯示的溫度與實際溫度相去甚遠。附圖1中將控溫傳感器的插入深度調整為40_，則溫控檢測溫度與實際溫度幾乎吻合。
[0033]本溫度校驗爐是采用電加熱的電加熱爐，電加熱爐通過電阻絲加熱，冷卻時依靠風扇與自然冷卻相結合的方式，因而升溫與降溫過程表現出截然不同的動態特性，這就要求在加熱和冷卻的控制策略上也應具有相應的不對稱性。所述陶瓷電熱管、小型加熱棒和風扇均與溫度控制儀電連接，所述安裝在監測用溫度傳感器安裝板上的鎧裝鉑電阻也與溫度控制儀電連接，溫度控制儀接收鎧裝鉑電阻傳送的溫度信號，控制陶瓷電熱管、小型加熱棒和風扇使爐芯內的溫度快速達到和維持在需要的溫度上。
[0034]所述溫度控制儀包括溫度用于設定測試校準溫度點的設定模塊和控溫模塊，由于本發明需要對校驗爐的爐體的溫度進行快速、準確地控制，所以對超調量及穩定時間的控制要求很高，因此所述控溫模塊采用PID模糊控制，根據設定的校準溫度點和鎧裝鉑電阻傳送的實時溫度變化分別控制連接的陶瓷電熱管或/和小型加熱棒的加熱功率，以及降溫控制模塊，控制連接的風扇的轉速。如附圖5為PID控制框圖示意，附圖6為電路接線示意圖。
[0035]進行校驗時按照以下步驟進行:首先將待測溫度檢測元件插入到所述爐芯內的插入孔中；然后將一根AA級PT100鎧裝鉑電阻作為監測用溫度傳感器從底部往上伸入到爐芯的控溫孔內；所述溫度控制儀按照設定的校準溫度點，校準溫度點應在50-300°C范圍內進行選取，不少于三個溫度點，溫度控制儀的控溫模塊選擇以小型加熱棒加熱，或者陶瓷電熱管和小型加熱棒同時加熱，同時風扇啟動，以較低的轉速運轉；當校準溫度點設定在50-100°C時，采用小型加熱棒加熱，陶瓷電熱管停止或以較小的輸出功率間斷性進行加熱工作，當校準溫度點設定在100-300°C范圍內工作時，陶瓷電熱管和小型加熱棒兩種加熱方式同時進行實時調整加熱功率；當鎧裝鉑電阻傳送的實時溫度接近校準溫度點時，控溫模塊降低陶瓷電熱管輸出功率或者小型加熱棒實時降低加熱功率，同時陶瓷電熱管以較小輸出功率間歇式加熱，使整個溫控過程平穩；待溫度達到穩定后，分別記錄待測溫度檢測元件的顯示值和鎧裝鉑電阻的測量值，記錄時間不少于10分鐘，測量速度為每分鐘一次，在每一個校準點上進行兩次測量，在改變校準點設定時，在設定溫度上升時測量一次，在設定溫度下降時進行另一次測量。
[0036]校驗爐開機時，風扇就會啟動，以較低的轉速運轉，這樣可以增加溫場均勻性及將熱量從頂部吹出，使爐膛下面元器件不至于溫度過高損壞，保證安全性。當測定溫度與設定溫度點的比例差值過大時，通過開關電源調整電壓，使風扇全速運轉，通過強制對流降溫的方式，使實際溫度迅速接近修正值。
[0037]在傳統的PID控制系統中，常產生較大的超調，而且伴有阻尼振蕩。即使采用積分分離的方案也不能很好地改善，而簡單的積分分離法又常常由于系數選取不當，在達到積分區前就己穩定，很難實現有效控制。在動態連續可調控系統研制中，振蕩趨向設定溫度點時，溫度變化是逼近設定點的。這時減小PID參數值，降低控制強度，以便減少超調和振蕩。在振蕩偏離設定溫度點時，溫度的變化是遠離設定點的。這時加大PID的參數值，增強其控制作用以便更快的將溫度拉回到所需的平衡點，盡快達到平衡。
[0038]本校準爐不僅能用于短支溫度檢測傳感器的現場校準，而且經過實測和仿真，溫度場均勻，測試的結果的擴展不確定度可以達到u = 0.03°C。
【權利要求】
1.一種淺式微型溫度校驗爐，其特征在于:包括圓柱體爐芯，爐芯內設置有安裝待測溫度檢測元件的插入孔，圍繞插入孔的為均溫塊，環繞爐芯外圓周套裝有陶瓷電熱管，所述陶瓷電熱管比爐芯稍長，部分底部包住爐芯，所述陶瓷電熱管外套裝有環形爐膛，在所述爐膛內環繞爐芯均勻設置有多個小型加熱棒，所述爐膛外包裹著保溫層，在所述爐芯和爐膛下方還設置有監測用溫度傳感器安裝板，用來安裝作為監測用溫度傳感器的鎧裝鉑電阻，爐芯內有從下往上的控溫孔，所述鎧裝鉑電阻安裝在監測用溫度傳感器安裝板上，從底部往上伸入到爐芯的控溫孔內，在所述保溫層外以爐體外殼將從內至外的爐芯、陶瓷電熱管、爐膛和保溫層均包裹起來，上面設置有上蓋，鉑電阻安裝板下方安裝有下蓋，下蓋中間有風孔，下蓋下方為爐體底座，所述爐體底座內設置有風扇。
2.如權利要求1所述的淺式微型溫度校驗爐，其特征在于:所述爐芯內插入孔的井深小于等于60皿，所述控溫孔的井深大于等于40皿。
3.如權利要求1所述的淺式微型溫度校驗爐，其特征在于:所述均溫塊采用多塊可替換均溫塊拼接，使爐芯內插入孔具有多種直徑，均溫塊采用紫銅材質制作。
4.如權利要求1所述的淺式微型溫度校驗爐，其特征在于:所述陶瓷電熱管的功率為5001，所述小型加熱棒的功率為251，所述小型加熱棒以爐芯的中心點為圓心等角度配置有6個，在所述加熱棒的放置孔旁，近圓心位置還設置有半圓的從上至下的導風槽。
5.如權利要求1所述的淺式微型溫度校驗爐，其特征在于:所述陶瓷電熱管、小型加熱棒和風扇均通過高溫導線與溫度控制儀電連接，所述鎧裝鉑電阻也與溫度控制儀電連接，溫度控制儀接收鎧裝鉑電阻傳送的溫度信號，控制陶瓷電熱管、小型加熱棒和風扇使爐芯內的溫度快速達到和維持在需要的溫度上。
6.如權利要求5所述的淺式微型溫度校驗爐，其特征在于:所述溫度控制儀包括用于設定測試校準溫度點的溫度設定模塊和控溫模塊，所述控溫模塊采用控制，根據設定的校準溫度點和鎧裝鉑電阻傳送的實時溫度變化分別控制連接的陶瓷電熱管或/和小型加熱棒的加熱功率，以及降溫控制模塊，控制連接的風扇的轉速。
7.—種應用如權利要求5所述的淺式微型溫度校驗爐進行溫度檢測元件校驗的方法，其特征在于包括以下步驟:(1)將待測溫度檢測元件插入到所述爐芯內的插入孔中；(2)將一根-級？1100鎧裝鉑電阻作為監測用溫度傳感器從底部往上伸入到爐芯的控溫孔內；(3)所述溫度控制儀按照設定的校準溫度點，校準溫度點應在50-3001:范圍內進行選取，不少于三個溫度點，溫度控制儀的控溫模塊選擇以小型加熱棒加熱，或者陶瓷電熱管和小型加熱棒同時加熱，同時風扇啟動，以較低的轉速運轉；(4)當鎧裝鉑電阻傳送的實時溫度接近校準溫度點時，控溫模塊降低陶瓷電熱管輸出功率或者小型加熱棒實時降低加熱功率，同時陶瓷電熱管以較小輸出功率間歇式加熱，使整個溫控過程平穩；(5)待溫度達到穩定后，分別記錄待測溫度檢測元件的顯示值和鎧裝鉑電阻的測量值，記錄時間不少于10分鐘，測量速度為每分鐘一次，在每一個校準點上進行兩次測量，在改變校準點設定時，在設定溫度上升時測量一次，在設定溫度下降時進行另一次測量。
8.如權利要求7所述的進行溫度檢測元件校驗的方法，其特征在于:當校準溫度點設定在50-1001:時，采用小型加熱棒加熱，陶瓷電熱管停止或以較小的輸出功率間斷性進行加熱工作，當校準溫度點設定在100-3001:范圍內工作時，陶瓷電熱管和小型加熱棒兩種加熱方式同時進行實時調整加熱功率。
9.如權利要求7所述的進行溫度檢測元件校驗的方法，其特征在于:校驗爐開機時，風扇就會啟動，以較低的轉速運轉，當鎧裝鉑電阻監測的實時測定溫度與設定溫度點的比例差值過大時，通過開關電源調整電壓，使風扇全速運轉，通過強制對流降溫的方式，使實際溫度迅速接近修正值。
10.如權利要求7所述的進行溫度檢測元件校驗的方法，其特征在于:在所述步驟4中，當接近校準溫度點溫度振蕩時，振蕩趨向設定溫度點時，控溫模塊減小參數值，降低控制強度，減少超調和振蕩；振蕩偏離設定溫度點時，加大？10的參數值，增強控制作用，更快的將溫度拉回到校準溫度點。
【文檔編號】G01K15/00GK104502000SQ201410838546
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月26日 優先權日:2014年12月26日
【發明者】朱晨彬, 姚麗芳, 朱欣赟, 陳宇 申請人:上海市計量測試技術研究院