管式炉也称热电偶检定炉，是一种恒温设备，其温度范围通常为 300 ～ 1 100 ℃［1］ ( 不同产品的加热原理不同，部分产品的温度上限达到 1 200 ℃甚至 1600 ℃［2］) ，按外观型式分为: 卧式和立式。管式炉通常用于检定或校准各型高温传感器，是温度计量领域中使用非常为广泛的高温恒温热源。管式炉炉温温场性能直接关系到各类高温传感器的计量性能，温度传感器的准确可靠对于工业生产和科技研发至关重要。所以要研究制定负载状况下管式炉温度场测试方法以提高管式炉温度场分布的均匀性。 

 

1 研究背景

          国内传统的管式炉温度场分布测试方法［3］，是在管式炉空载的情况下，测量其轴向温度场分布和径向温度场分布。这样的测量方法，只适用于生产 和 销 售 单 位，用此方法可以得到其温度场 分 布 情 况，以标明技术指标，它 的 测 量对象侧重的是管式炉本体。但在全国各个计量技术机构中，作为使用单位希望管式炉的温度场测量要服务于对温度传感器的测量，开 展 检定或校准工作时要参考相关温度传感器的计量技术法规［4］，如在校准铠装热电偶或廉金属热电偶时，管式炉炉管中应使用均温块以提高温度场性能。然而在国内还没有相关的技术法规或者 国 家 标 准，也没有这类测量方法的研究。由于不同国家法律法规不同，外国的相关研究并不具有参考性。

 

2 研究对象

          适用于 300 ～ 1 200 ℃ 范围内带温控器的卧式管式炉 ( 也称卧式热电偶检定炉) 温度场的测试。按照用途分类，适用于 “廉金属/铠装热电偶用管式炉”和 “廉金属/铠装热电偶用短型管式炉”。廉金属/铠装热电偶用管式炉的长度一般为600 mm，炉管的内径直径一般为 40 mm; 廉金属/铠装热电偶用短型管式炉的长度一般为 300 mm，炉管的内径直径一般为 40 mm［5］。除管式炉本体外，在测量负载状况下管式炉温场时，炉管内应配置尺寸与之相适应的均温块，其剖面和插孔分布如图 1 所示。均温块在 1 250 ℃高温下不发生形变［6］。

3 测量条件

3. 1 环境条件

          环境温度和环境湿度没有具体要求，所以参考电测设备的工作环境，故 环 境 温 度 为 ( 23 ± 5) ℃，环境湿度不大于 80% ＲH［7］。

 

3. 2 测量标准

          设备名称: 工作用贵金属热电偶; 型号规格: S; 测量范围: 300 ～ 1 300 ℃ ; 准确度等级: 工作用 1 级; 数量: 5 支; 其他要求: 检定或校准后不超过 3 个月，也可使用准确度等级或扩展不确定度不低于它的其他设备。 3. 3 配套设备

( 1) 电测仪器: 准确度等级不低于 0. 02 级;测量范围一般为 0 ～ 100 mV; 分辨力 0. 1 μV。 ( 2) 转换开关: 各路寄生电势及各路寄生电势之差均不大于 0. 4 μV。 ( 3) 冰点恒温器: 冰瓶或零度恒温器。 ( 4) 计时器、直尺或卷尺、定位辅助装置:满足测量需求即可。 4 测量方法

 

4. 1 准备工作

          新购置的或长时间未使用过的管式炉应提前进行烘炉处理，可在其温度范围上限温度点保持恒温 2 h 左右，然后关闭电源自然降至室温［8］。将均温块、定位辅助装置安装在炉内，均温块的底部位于轴向均匀温场内，控温偶插入均温块的控温插孔内。均温块连接好定位杆，将五支测量标准作编号后套陶瓷保护管插入均温块底部，其分布位置如图 2 所示。用尺测量炉口两端距离，计算炉中心点，中心点标记为 “0”点; 从此点分别向工作端和参考端每隔 10 mm 作一记号，标出“－ 3 ～ + 3”坐标位置，使用铅笔在定位杆上作相应记号，如图 3 所示。

          炉口使用耐火棉封堵，S 型热电偶的参考端与信号线连接后插入冰点恒温器内，插入深度不小于 150 mm，其接线方式如图 4 所示。

4. 2 测试温度点

          测试温度点可以在管式炉温度范围的上、下限温度点，也可以根据实际工作情况选取其他测试温度点［9］。

 

          准备工作完成后，将管式炉炉温恒温在测试温度点上，炉温偏离测试温度点不超过 ± 5 ℃，恒温时间 不 低 于 50 min，当达到炉温变化不超过0. 2 ℃ /min 时 ( 以 S 偶 1 读数为依据) ，即开始测量。 

4. 3 温场测试

          移动定位杆，将均温块在 “－ 3 ～ + 3”坐标位置移动，测量顺序为 － 3， － 2， － 1，0，1，2， 3，往返一个循环。移动到一个位置点后，调整每个测量标准，使其始终保持在均温块底部，待炉温满足本文 4. 2 要求后，开始读数。 

5 数据处理

          将测量读数进行记录，并将测试温度点坐标位置中各个测量标准的两次测量循环读数，求其平均值。将平均值和某支测量标准在该测试温度点的修正值相加。经过数据处理，各个测量标准与标准 1 的差值中取非常大值作为温度场的测量结果。

 

6 结论

          对该测量方法进行测量不确定度分析和评定，可以得出测量结果的扩展不确定度 U = 0. 25 ℃， k = 2。该方法与传统的管式炉温场测量方法进行比较，使用了更多的工作用贵金属热电偶，避免标准热电偶在测量管式炉温场造成的污染。测量标准和均温块构成了一套测量装置方便携带现场测量，测量过程中减少了移动标准偶带来了的测量误差。测量结果更为贴近实际情况，扩展不确定度与传统方法相当，更适合用于校准铠装热电偶的管式炉的温场测试。