热电偶检定炉.pdf

本发明属于一种温度传感器的检定炉，具体说是一种以液态金属钠为工质，在150°～660℃温区内具有特别长等温区，并在此等温区内温场均匀性好的热电偶检定炉，用于嵌装分布在细长元件上热电偶的精密检定。
    通常对于测温精度要求高的热电偶或其他温度传感器使用前需经过严格的检定，而对于嵌装分布在细长元件上的热电阻，例如用于测量核反应堆堆内温度的热电偶，其测点在轴向分布距离长，这类热电偶的检定除要求检定炉的工作温度为150°～660℃左右外，还要求在此温区内至少具有1米以上的等温区，而且在此等温区内温场均匀性好。目前，在150°～660℃温区内热电偶的检定，国内通常分两个温区进行，300℃以下用标准恒温油槽，超过300℃的用卧式检定炉完成，前者因其工作温度不够高，后者因其等温区长度只有15mm，而且温场不均匀性高达±0.5℃，均不能满足使用要求;英国专利GB2158929A公开一种工作温度为50°～1250℃的热电偶检定炉，它以空气为工质，包括一个空心球壳和安装在球壳内的空心球形加热器，球壳和加热器之间填充有绝热层，加热器中心设有实心陶瓷球体，一组用于装标准温度计和被检热电偶的陶瓷管呈水平放射状地穿过球壳和加热器聚于实心陶瓷球体的球心附近，基于球形的对称性，使陶瓷球内径向距离相同处温度相等，其温场均匀性为±0.25℃，然而这种球形检定炉除存在制作工艺复杂，安装精度高外，要求做到实心陶瓷球内很长的径向距离上各处温度都相等，即具有很长的等温区是很难实现的。

    本发明的目的是提供一种在150°～600℃温区内具有长等温区，并且在等温区内温场均匀性好的热电偶检定炉。

    本发明是这样实现的：一种热电偶检定炉包括安装在底座上的外壳，位于外壳内流通工作介质的恒温腔和用于加热工作介质使其达到恒定工作温度和主加热器，外壳与恒温腔和主加热器之间填有绝热层，用于装被检热电偶和标准温度计的管状阱穿过外壳伸入到恒温腔内工作介质中，所说的恒温腔呈竖式圆筒状，其下部通过管道和阀门与设在其底部地储钠罐连接成液态金属钠供、排通路;恒温腔侧面上、下开有钠的进、出口，它通过管道、循环泵和内螺旋式管道与主加热器连接组成全密封的液态金属钠循环回路，并在内螺旋式管道下游、钠进口处设有钠温热电偶;恒温腔上端部设有热屏蔽层，恒温腔外设有与其同轴安装的热补偿器，热补偿器与恒温腔之间填有绝热层，并在恒温腔外壁和热补偿器内壁上设温差热电偶;恒温腔侧壁上高于钠进口处设有钠溢流口，它通过管道、储气箱和溢流阀与储钠罐内上部的气腔连接组成钠溢流支路;储钠罐、储气箱、阀门、溢流阀及其所有连接管道外均设有电加热器。

    本发明选用液态金属钠为工作介质，液态钠除具有流动性好，与其他材料有较好的相容性外，主要的是金属钠熔点低，常压下沸点高，呈液态的温度范围宽，能满足150°～660℃，甚至更高的热电偶检定工作温度，而且它热传导性能比空气和油好，热容量大，所形成的温场温度稳定性好，温场均匀;将热电偶检定炉设计成恒温腔与主加热器分立布置的回路形式，液态金属钠是在主加热器内加热并由钠温热电偶和精密温控仪控制使其以连续恒定的温度注入恒温腔，而不是在恒温腔内加热，所以恒温腔内不存在干扰钠温的其他热源，致使钠温稳定;在恒温腔上端部标准温度计阱和被检热电偶阱插入处设有热屏蔽层，避免了恒温腔的轴向热损失，在恒温腔外设热补偿器，通过温差热电偶和精密温控仪控制，使其与恒温腔之间温差恒为0℃，使恒温腔径向热损失几乎不存在，恒温腔外还有绝热层，这就保证了恒温腔内轴向和径向上温度高度均匀，因此可以把恒温腔设计得较长，而在较长的恒温腔内钠进、出口之间形成长的等温区，而且在此等温区内温场均匀性好。设钠溢流支路是为了保证恒温腔内钠液位高度不变，同时能使系统在低压下安全运行;在管道及有关设备外设电加热器主要是为了起动和运行中起加热和保温作用。本发明的显著优点是其等温区长度为1298mm，而且在此等温区内温场均匀性≤+0.1℃。

    现结合附图和实施例对本发明做进一步具体描述：

    图1为本发明所提供的热电偶检定炉结构示意图。

    如图1所示，本发明所提供的热电偶检定炉包括碳钢底座1，安装在底座1上的不锈钢外壳30，位于外壳30内流通工作介质液态金属钠的恒温腔8和加热液态金属钠使之达到恒定工作温度的主加热器10，以及填充在外壳30与恒温腔8和主加热器10之间的硅酸铝纤维绝热层31，用于装标准温度计和被检热电偶的管状阱16和15穿过外壳30伸入到恒温腔8内，浸入液态金属钠中，管状充氩式被检热电偶阱15浸入深度为1350mm，管状阱15和16在恒温腔8插入处为机械密封。恒温腔8为GH-140高温合金钢制成的呈竖式圆筒状，其直径为φ60×4mm，高为1415mm，恒温腔8下部有一供钠、排钠口27，它通过管道和由波纹管密封的阀门28与设在其底部的储钠罐2连接，组成供、排钠通路。储钠罐2支撑在底座1上，并设有气阀3、液位计4和灌钠口33，通过气阀3可向罐内充或排保护性气体Ar，以使液态钠由储钠罐2压入恒温腔8或从恒温腔8内排入储钠罐2。恒温腔8上端部标准温度计阱16和被检热电阻阱15插入处设有金属热屏蔽层18，以尽可能避免恒温腔8内轴向热损失。恒温腔8侧面上、下分别开有钠进口13和出口6，两者高差1298mm，此为等温区长度，恒温腔8通过管道，电磁泵7和内螺旋式管道11与主加热器10连接，组成全密封的液态金属钠循环回路。主加热器10为GH-140高温合金钢制成的呈竖式圆筒状容器，密封插入浸入管状电加热器12。在内螺旋式管道11下游，钠进口13处设有进口钠温热电偶14，通过它用一台DWT-702精密温控仪控制管状电加热器12的加热功率，使内螺旋式管道11下游、恒温腔8进口13处钠温连续恒定。恒温腔8外设有与其同轴安装的热补偿器9，它是由圆筒状壳体9及螺旋镶嵌在其外壁上铠装式电加热器17组成，热补偿器9与恒温腔8之间填有硅酸铝纤维绝缘层26，恒温腔8外壁和热补偿器9内壁外设有温差热电偶24，通过它和另一台DWT-702精密温控仪控制铠装式电加热器17的加热功率，使恒温腔8和热补偿器9之间的温差自动稳定为0℃，即恒温腔8的径向热损失几乎为零。恒温腔8侧面钠进口13高26mm处开有溢流口19，并通过管道、储气箱23和溢流阀25与储钠罐2的气腔部位连接，组成液态金属钠的溢流支路，使恒温腔8内因升温膨胀或多余的液态钠能从溢流口19经溢流支路流回储钠罐2，这既保证恒温腔8内钠液位高度不变，即等温区长度不变，又使回路内处于低压下工作，保证系统安全运行。储气箱23上设有压力表20、液位计21和排气阀22。为预热和保温需要，储钠罐2，储气箱23、阀门28、溢流阀25及其所有管道外均设有铠装式电加热器32。进行热电偶检定时，先预热所有设备和管道，然后关闭溢流阀25，打开钠阀门28，并由气阀3向储钠罐2充Ar气加压，将罐2内液态钠压入恒温腔8，并充满循环回路，至溢流口19，直至液位计21有显示，停止充Ar气，关闭阀门28，打开溢流阀25，使多余的液态钠流回储钠罐2，起动电磁泵7，使液态钠在回路内循环，起动管状电加热器12加热液态钠，由钠温热电偶14和DWT-702精密温控仪控制其加热功率，使主加热器10内达到检定温度的液态钠经内螺旋式管道11交混均匀后沿恒温腔8的钠进口13切线方向旋转注入恒温腔8内，避免在溢流口19附近因被检热电偶阱15和标准温度计阱16的轴向导热而造成的温场不均，与此同时起动热补偿器9，由温差热电偶24和另一台DWT-702精密温控仪控制其加热功率，使恒温腔8和热补偿器9的温差为零。整个系统在高纯氩气保护下运行。为检测进、出口13和6处钠温，以确定恒温腔8内等温区轴向温场的均匀性，可在钠出口处设一标准温度计阱5，在标准温度计阱16和5内用两支一等标准铂电阻温度计同时测量恒温腔8内进、出口高度处的温度。在钠温为150°～600℃下其测量结果如表1所示：

    表1    恒温腔内轴向温场均匀性测量结果

    序号        进口高度钠温（℃）    出口高主钠温（℃）        温差（℃）

    1                    149.595                            149.637                        -0.042

    2                    199.632                            199.657                        -0.025

    3                    249.710                            249.729                        -0.019

    4                    299.751                            299.760                        -0.009

    5                    349.709                            349.702                        +0.007

    6                    399.644                            399.623                        +0.021

    7                    449.435                            449.372                        +0.063

    8                    499.711                            499.649                        +0.062

    9                    550.076                            549.994                        +0.082

    10                    599.733                              599.639                      +0.094

    由表1可见，在150°～600℃温区内，恒温腔内1298mm长的等温区内轴向温场均匀性≤+0.1℃，均优于现有技术。本发明可用于嵌装分布在细长元件上，例如用于核反应堆堆内温度测量元件或堆外热工水力实验用电加热模拟元件上的热电偶精密检定。