CN110567612A - 一种短型温度传感器超高温标校装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种短型温度传感器超高温标校装置及方法，该装置通过电磁感应加热，在小孔径的石墨腔内形成均匀的超高温场，并采用前端加热，后端水冷的方式模拟传感探头在实际工况下的大温度梯度。为了实现石墨腔内精准的温度控制，标校装置采用对称放置的双石墨腔设计，一个石墨腔用于待标探头加热，另一个石墨腔用于红外控温。为避免两石墨腔温度差对标校工作的影响，进行高精度标校，本标校装置可以实现待标探头和热电偶在石墨腔中对标。
Description
技术领域
本发明属于温度传感器标校领域，尤其涉及一种短型温度传感器超高温标校装置。
背景技术
温度是环境监测中一个重要的物理量，因此温度传感器被广泛应用于科研和工业生产中。近年来，随着短型温度传感器在航空航天、钢铁冶炼、石油化工等行业广泛应用，超高温恶劣工况下目标温度参数测量已成为重要技术需求。标校条件作为超高温温度传感器研发的关键技术是制约其发展的重要原因。国外经过长期的发展，在超高温校准方面已经形成相当完善的体系，国内在长型温度传感器的校准方面相对成熟，而对于短型温度传感器的校准还存在不少问题。
短型温度传感器尺寸短小，在超高温环境中容易将热量快速传递到后端，而传感器后端往往是不耐热材质，因此短型温度传感器在使用时需要水冷环境，让传感器后端快速冷却下来。目前，短型温度传感器的校准方法主要有：卧式检定炉法、干井炉法、小型固定点法和黑体空腔法。这些方法主要用于300～1300℃短型温度传感器标校，难以在更高温度下进行应用。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种短型温度传感器超高温标校装置及方法，采用嵌入式水冷套完成大温度梯度标校，采用热电偶对标，提高了水冷状态下的标校精度，并通过更换转换工装实现不同尺寸温度传感器的超高温标校，为短型温度传感器的广泛应用奠定基础。
本发明的技术方案如下：一种短型温度传感器超高温标校装置，包括炉体、加热模块、大石墨腔、第一小石墨腔、第二小石墨腔、炉盖、水冷套、转换工装、红外测温仪和热电偶；
炉体和炉盖组成密闭空间，加热模块和大石墨腔放置在在密闭空间内，加热模块对大石墨腔进行加热，升温后的大石墨腔对放置在大石墨腔内的第一小石墨腔和第二小石墨腔进行加热；水冷套固定在炉盖上，用于给待标传感器后端降温，模拟实际工况下的大温度梯度，红外测温仪用于测量第二小石墨腔的温度，并反馈给外部温度控制模块，外部温度控制模块控制加热模块工作实现炉内温度的调节；所述水冷套通过转换工装和待标传感器连接，在保证传感器得到充分水冷的同时，改变转换工装的尺寸，使待标传感器前端伸入第一小石墨腔的长度为小石墨腔全长的1/2至2/3；在第一小石墨腔内放置一段热电偶，用于测量待标传感器前端温度；热电偶选用钨铼热电偶或铂铑热电偶。
所述加热模块选用电磁感应加热、电阻丝加热。
所述第一小石墨腔和第二小石墨腔尺寸一致，并且在大石墨腔内对称放置，保证两个小石墨腔所处温度场相似。
还包括隔热材料；所述隔热材料填充在石墨腔周围，用来减石墨腔的散热，保证腔内温度均匀性的同时提升腔内温度极限；所述隔热材料材料选用石棉。
所述水冷套采用单独水冷，并通过密封橡胶圈和螺钉密封固定在炉盖上；所述水冷套材料选用铜。
所述红外测温仪的温度测量范围为350～2000℃或1000～3200℃。
还包括气阀；炉体通过气阀与外部真空泵或气瓶相连；真空泵用于将炉体内的空气排出，使炉体内真空；气瓶内充有氩气，用于将炉体内的空气置换为氩气。
一种短型温度传感器超高温标校方法，步骤如下：
1)将转换工装和待标传感器依次放入水冷套；
2)通过螺钉，将水冷套密封固定在炉盖上，关好炉盖；
3)打开与外部真空泵连接的气阀，开启真空泵直到炉体内气压达到kPa量级，关闭气阀，关闭真空泵；
4)气阀与外部气瓶连接，气瓶内充有氩气，打开气瓶阀，打开气阀，观察炉体内气压，气压大于大气压后关闭气阀，关闭气瓶阀；
5)设定标校温度点，根据选定的温度点设置升温曲线；
6)连接外部传感器数据接收设备，开启冷却水循环，标校装置开始升温；
7)按照升温曲线自动升温，外部设备采集热电偶及待标传感器输出数据；
8)升温结束后进行数据处理，对比热电偶数据与待标传感器数据，即可得到标定曲线。
与现有技术相比本发明具有如下有益效果：现有短型温度传感器标校技术通常不包含水冷装置，由于热传导影响，需要传感器整体结构具有良好的耐热性能。为消减前端高温热传导对后端的影响，要么传感器后端采用耐高温材料，要么延长传感器整体长度。本发明增加了水冷装置，有效降低了传感器后端温度，实现了短型温度传感器前端高温后端低温的大温度梯度标校。在水冷装置工作情况下，即使传感器前端达到2000℃，传感器后端依然可以保持在较低温度。在2000℃超高温标校环境下，可标校传感器长度缩短至70mm，其中高温区长度不小于40mm。
受水冷装置影响，传感器前端温度低于石墨腔温度，如果直接采用红外测温仪测得的第二小石墨腔温度，会对标校精度引入较大误差。基于这种情况，本发明加入热电偶对标，通过采用钨铼或者铂铑热电偶直接测量传感器前端温度，最大程度的消除了测试误差。
附图说明
图1是一种短型温度传感器结构示意图；
图2是该温度传感器转换工装结构示意图；
图3是400～1100℃标校升温曲线图；
图4是另一种短型温度传感器结构示意图；
图5是600～1800℃标校升温曲线图；
图6是短型温度传感器超高温标校装置。
具体实施方式
如图6所示，本发明一种短型温度传感器超高温标校装置，包括炉体1、加热模块2、大石墨腔3、第一小石墨腔4、第二小石墨腔5、炉盖7、水冷套8、转换工装9、红外测温仪10和热电偶12；
炉体1和炉盖7组成密闭空间，加热模块2和大石墨腔3放置在在密闭空间内，加热模块2对大石墨腔3进行加热，升温后的大石墨腔3对放置在大石墨腔3内的第一小石墨腔4和第二小石墨腔5进行加热；水冷套8固定在炉盖7上，用于给待标传感器后端降温，模拟实际工况下的大温度梯度，红外测温仪10用于测量第二小石墨腔5的温度，并反馈给外部温度控制模块，外部温度控制模块控制加热模块2工作实现炉内温度的调节；所述水冷套8通过转换工装9和待标传感器连接，在保证传感器得到充分水冷的同时，改变转换工装9的尺寸，使待标传感器前端伸入第一小石墨腔4的长度为小石墨腔4全长的1/2至2/3；
在所述第一小石墨腔4内放置一段热电偶12，用于测量待标传感器前端温度；热电偶12选用钨铼热电偶或铂铑热电偶。
所述加热模块2选用电磁感应加热、电阻丝加热；电磁感应加热能够达到的极限温度更高，可产生2500℃的稳定温度场；采用多侧加热可以有效提高加热速率以及石墨腔温度均匀性。
所述第一小石墨腔4和第二小石墨腔5尺寸一致，并且在大石墨腔3内对称放置，保证两个小石墨腔所处温度场相似。
还包括隔热材料6；所述隔热材料6填充在石墨腔周围，用来减石墨腔的散热，保证腔内温度均匀性的同时提升腔内温度极限；所述隔热材料6材料选用石棉；应注意，石墨腔与水冷套8之间填充隔热材料6能提高石墨腔温度，但隔热材料6不能接触到水冷套8。
所述水冷套8采用单独水冷，并通过密封橡胶圈和螺钉密封固定在炉盖7上；所述水冷套8材料选用铜。
所述红外测温仪10的温度测量范围为350～2000℃或1000～3200℃；温度低于350℃时采用手动控温，温度高于350℃后可采用自动控温。
还包括气阀11；炉体1通过气阀11与外部真空泵或气瓶相连；真空泵用于将炉体1内的空气排出，使炉体1内真空；气瓶内充有氩气，用于将炉体1内的空气置换为氩气。所述标校装置可以在空气环境、真空环境、保护气体环境下工作，气阀11可以连接真空泵，可以为炉体1营造真空环境，也可以连接外部气瓶，为炉体1填充保护气体，尤其是使用大功率电磁感应加热时，为炉体1填充保护气体可以防止内部电流击穿，保护气体为氩气。
一种短型温度传感器超高温标校方法，步骤如下：
1)选取合适的转换工装9和待标传感器依次放入水冷套8；
2)通过螺钉，将水冷套8密封固定在炉盖7上，关好炉盖7；
3)打开与外部真空泵连接的气阀11，开启真空泵直到炉体1内气压达到kPa量级，关闭气阀，关闭真空泵，若十分钟内气压无明显变化则进行下一步，若气压发生变化，则返回步骤2；
4)气阀11与外部气瓶连接，气瓶内充有氩气，打开气瓶阀，打开气阀11，观察炉体1内气压，气压略大于大气压后关闭气阀11，关闭气瓶阀。升温低于1000℃时可跳过步骤4，升温高于1500℃时可多次重复步骤3和步骤4；
5)设定标校温度点，根据选定的温度点设置升温曲线。温度低于1200℃时，升温速率设置为10～15℃/min，温度高于1200℃时，升温速率设置为5～10℃/min，为了保持温度稳定，温度点稳定时间不小于30min；
6)连接外部传感器数据接收设备，观察传感器信号是否正常，信号正常则开启冷却水循环，标校装置开始升温，信号不正常则应将传感器取出测试。
7)按照升温曲线自动升温，外部设备采集标校热电偶及待标传感器输出数据；
8)升温结束后进行数据处理，对比热电偶12数据与待标传感器数据，即可得到标定曲线。具体做法为：通过读取热电偶分度表得到对应温度值，以待标传感器数据为横轴，热电偶对应温度值为纵轴，绘制标定曲线。
本发明提出的一种短型温度传感器超高温标校装置，该装置通过电磁感应加热，在小孔径的石墨腔内形成均匀的超高温场，并通过对传感器前端加热，后端水冷的方式模拟实际工况下的大温度梯度。为了实现石墨腔内精准的温度控制，标校装置采用对称放置的双石墨腔设计，一个石墨腔用于待标探头加热，另一个石墨腔用于红外控温。为避免两石墨腔温度差对标校工作的影响，可在其中一个石墨腔内可以放置一段热电偶，用于测量待标传感器前端温度。
实施例1：
针对一种短型温度传感器(如图1所示)开展400～1100℃的标校工作，该感器有两个重要的长度尺寸，分别是高温区长度和水冷区长度，高温区长度是传感器能够耐受测试环境高温的最大长度，水冷区长度是传感器能够接受良好水冷的最大长度。本实施例中使用的传感器高温区长度20mm，水冷区长度10mm。根据该传感器尺寸选用合适的转换工装(见图2)，使得传感器能得到充分水冷，并且前端伸入小石墨腔的长度合理。为了保证标校精度，将一个W526钨铼热电偶与传感器一起装配到标校装置中，热电偶的热端与传感器前端齐平。由于热电偶易氧化，因此实验需要在真空环境或者保护气体环境下进行，完成气密工作后，打开与真空泵连接的气阀，开启真空泵，真空度达到要求后关闭气阀和真空泵。本实施例采用机械泵，真空度达到kPa量级。
气密良好的情况下开始升温，同时打开循环水泵，升温曲线如图3所示。实验从室温升到1100℃，从400℃开始每100℃一个温度点，每个温度点维持30分钟。通过对比传感器输出信号与热电偶信号，即可完成传感器400～1100℃的标校，为验证重复性，可多次重复试验。
实施例2：
针对一种短型温度传感器(如图4所示)开展600～1800℃的标校工作，该传感器高温区长度40mm，水冷区长度25mm。装配过程与实施例1相似，安装完成后开启真空泵抽取真空，由于本实施例需要升温至1800℃，为防止大功率击穿，抽取真空后用高纯氩气填充炉体，充气后炉体内气压略大于大气压。
如图5所示，本实施例从室温升到1800℃，从600℃开始每200℃一个温度点，每个温度点维持30分钟。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种短型温度传感器超高温标校装置，其特征在于：包括炉体(1)、加热模块(2)、大石墨腔(3)、第一小石墨腔(4)、第二小石墨腔(5)、炉盖(7)、水冷套(8)、转换工装(9)、红外测温仪(10)和热电偶(12)；
炉体(1)和炉盖(7)组成密闭空间，加热模块(2)和大石墨腔(3)放置在在密闭空间内，加热模块(2)对大石墨腔(3)进行加热，升温后的大石墨腔(3)对放置在大石墨腔(3)内的第一小石墨腔(4)和第二小石墨腔(5)进行加热；水冷套(8)固定在炉盖(7)上，用于给待标传感器后端降温，模拟实际工况下的大温度梯度，红外测温仪(10)用于测量第二小石墨腔(5)的温度，并反馈给外部温度控制模块，外部温度控制模块控制加热模块(2)工作实现炉内温度的调节；所述水冷套(8)通过转换工装(9)和待标传感器连接，在保证传感器得到充分水冷的同时，改变转换工装(9)的尺寸，使待标传感器前端伸入第一小石墨腔(4)的长度为小石墨腔(4)全长的1/2至2/3；在第一小石墨腔(4)内放置一段热电偶(12)，用于测量待标传感器前端温度；热电偶(12)选用钨铼热电偶或铂铑热电偶。
2.根据权利要求1所述的一种短型温度传感器超高温标校装置，其特征在于：所述加热模块(2)选用电磁感应加热、电阻丝加热。
3.根据权利要求1所述的一种短型温度传感器超高温标校装置，其特征在于：所述第一小石墨腔(4)和第二小石墨腔(5)尺寸一致，并且在大石墨腔(3)内对称放置，保证两个小石墨腔所处温度场相似。
4.根据权利要求1所述的一种短型温度传感器超高温标校装置，其特征在于：还包括隔热材料(6)；所述隔热材料(6)填充在石墨腔周围，用来减石墨腔的散热，保证腔内温度均匀性的同时提升腔内温度极限；所述隔热材料(6)材料选用石棉。
5.根据权利要求1所述的一种短型温度传感器超高温标校装置，其特征在于：所述水冷套(8)采用单独水冷，并通过密封橡胶圈和螺钉密封固定在炉盖(7)上；所述水冷套(8)材料选用铜。
6.根据权利要求1所述的一种短型温度传感器超高温标校装置，其特征在于：所述红外测温仪(10)的温度测量范围为350～2000℃或1000～3200℃。
7.根据权利要求1所述的一种短型温度传感器超高温标校装置，其特征在于：还包括气阀(11)；炉体(1)通过气阀(11)与外部真空泵或气瓶相连；真空泵用于将炉体(1)内的空气排出，使炉体(1)内真空；气瓶内充有氩气，用于将炉体(1)内的空气置换为氩气。
8.一种短型温度传感器超高温标校方法，其特征在于步骤如下：
1)将转换工装(9)和待标传感器依次放入水冷套(8)；
2)通过螺钉，将水冷套(8)密封固定在炉盖(7)上，关好炉盖(7)；
3)打开与外部真空泵连接的气阀(11)，开启真空泵直到炉体(1)内气压达到kPa量级，关闭气阀，关闭真空泵；
4)气阀(11)与外部气瓶连接，气瓶内充有氩气，打开气瓶阀，打开气阀(11)，观察炉体(1)内气压，气压大于大气压后关闭气阀(11)，关闭气瓶阀；
5)设定标校温度点，根据选定的温度点设置升温曲线；
6)连接外部传感器数据接收设备，开启冷却水循环，标校装置开始升温；
7)按照升温曲线自动升温，外部设备采集热电偶(12)及待标传感器输出数据；
8)升温结束后进行数据处理，对比热电偶(12)数据与待标传感器数据，即可得到标定曲线。
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