鎧裝熱電偶的正確使用及測量誤差

    為了提高測量精度，減少測量謀差，延長熱電偶使用壽命，要求使用者不僅應(yīng)具備儀表方面的操作技能，而且還應(yīng)具有物理、化學(xué)及材料等多方面知識。作者根據(jù)多年實踐，并參閱有關(guān)資料較詳細(xì)地介紹熱電偶的正確使用及測量誤差。

一、測量誤差的主要影響因素

1．插入深度的影響

(1) 測溫點的選擇熱電偶的安裝位置，即測溫點的選擇是*重要的，測溫點的位置，對于生產(chǎn)工藝過程而言，一定要具有典型性、代表性，否則將失去測量與控制的意義。

(2) 插入深度熱電偶插人被測場所時，沿著傳感器的長度方向?qū)a(chǎn)生熱流。當(dāng)環(huán)境溫度低時就會有熱損失。致使熱電偶與被測對象的溫度不一致而產(chǎn)生測溫誤差。總之，由熱傳導(dǎo)而引起的誤差，與插入深度有關(guān)。而插人深度又與保護管材質(zhì)有關(guān)。金屬保護管因其導(dǎo)熱性能好，其插入深度應(yīng)該深一些(約為直徑的15～20倍)，陶瓷材料絕熱性能好，可插入淺一些(約為直徑的10～15倍)。對于工程測溫，其插入深度還與測量對象是靜止或流動等狀態(tài)有關(guān)，如流動的液體或高速氣流溫度的測量，將不受上述限制，插入深度日可以淺一些，具體數(shù)值應(yīng)由試驗確定。

2．響應(yīng)時間的影響

    接觸法測溫的基本原理是測溫元件要與被測對象達(dá)到熱平衡。因此，在測溫時需要保持一定時間，才能使兩者達(dá)到熱平衡。而保持時間的長短，同測溫元件的熱響應(yīng)時間有關(guān)。而熱響應(yīng)時間主要取決于傳感器的結(jié)構(gòu)及測_旨條件，差別極大。對于氣體介質(zhì)，尤其是靜止氣體，至少應(yīng)保持30min以上才能達(dá)到平衡；對于液體而言，*快也要在5min以上。

    對于溫度不斷變化的被測場所，尤其是瞬間變化過程，全過程僅1s，則要求傳感器的響應(yīng)時間在毫秒級。因此，普通的溫度傳感器不僅跟不上被測對象的溫度變化速度出現(xiàn)滯后，而且也會因達(dá)不到熱平衡而產(chǎn)生測量誤差。**選擇響應(yīng)快的傳感器。對熱電偶而言除受保護管影響外，熱電偶的測量端直徑也是其主要因素，即偶絲越細(xì)，測量端直徑越小，其熱響應(yīng)時間越短。測溫元件熱響應(yīng)誤差可通過下式確定。

△θ=△θ0e（-£/ζ）。(1)

式中ι——測量時間，s

△θ——在t時刻，測溫元件引起的誤差，K或℃

△θ——“t=O”時刻，測溫兒件引起的誤差，K或℃

τ——時問常數(shù)，s

e——自然對數(shù)的底(2.718)

    因此，當(dāng)t=τ時，則△θ=△θ0/e即為0.368△θ0 如果當(dāng)T=2t時，則△θ=△θ/e2即為O.135△θ0

    當(dāng)被測對象的溫度，以一定的速度α(K／s或℃/s)上升或下降時，經(jīng)過足夠的時間后，所產(chǎn)生的響應(yīng)誤差可用下式表示：

△θ∞= -(2)

式中△θ∞——經(jīng)過足夠長的時間后，測溫元件引起的誤差。K或水吧，

    由(2)式可以看出，響應(yīng)誤差與時間常數(shù)(τ)成正比，表1，表2給出裝配式與鎧裝式熱電偶響應(yīng)時間的試驗結(jié)果，可供參考。為了提高檢定效率許多企業(yè)采用自動檢定裝置，對熱電偶進行檢定，但是，該裝置也并非十分完善。二汽變速箱廠熱處理車問就發(fā)現(xiàn)如果在400℃點的恒溫時間不夠，達(dá)不到熱平衡，就容易發(fā)生誤判。

表 1 K形熱電偶響應(yīng)時間

表 2 鎧裝熱電偶響應(yīng)時間

3．熱輻射的影響

    插入爐內(nèi)用于測溫的熱電偶，將被高溫物體發(fā)出的熱輻射加熱。假定爐內(nèi)氣體是透明的，而且，熱電偶與爐壁的溫差較大時，將因能量交換而產(chǎn)生測溫誤差。

在單位時間內(nèi)，兩者交換的輻射能為P，可用

下式表示：

(3)

式中δ——斯忒藩一波爾茲常數(shù)

ε——發(fā)射率

Tt——熱電偶的溫度，K

Tw——爐壁的溫度，K
    在單位時間內(nèi)，熱電偶同周圍的氣體(溫度為T)，通過對流及熱傳導(dǎo)也將發(fā)生熱量交換的能量為P′。

P′=αA(T-Tt)(4)

式中α——熱導(dǎo)率

A ——熱電偶的表面積

在正常狀態(tài)下，P=P′，其誤差為：

Tt –T=() /αA(5)

對于單位面積而言其誤差為：

Tt –T=() /α(6)

    因此，為了減少熱輻射誤差，應(yīng)增大熱傳導(dǎo)，并使?fàn)t壁溫度Tw。盡可能接近熱電偶的溫Tt。另外，在安裝時還應(yīng)注意：①熱電偶安裝位置應(yīng)盡可能避開從固體發(fā)出的熱輻射，使其不能輻射到熱電偶表面。②熱電偶**帶有熱輻射遮蔽套。

4．熱阻抗增加的影響

    在高溫下使用的熱電偶，如果被測介質(zhì)為氣態(tài)，那么保護管表面沉積的灰塵等將燒熔在表面上，使保護管的熱阻抗增大；如果被測介質(zhì)是熔體，在使用過程中將有爐渣沉積。不僅增加了熱電偶的響應(yīng)時問，而且還使指示溫度偏低。因此，除了定期檢定外，為了減少誤差，經(jīng)常抽檢也是必要的。例如，進口銅熔煉爐，不僅安裝有連續(xù)測溫?zé)犭娕迹€配備消耗型熱電偶測溫裝置，用于及時校準(zhǔn)連續(xù)測溫用熱電偶的準(zhǔn)確度。

二、熱電偶測溫應(yīng)注意的事項

1．熱電偶絲不均質(zhì)影響(1) 熱電偶材質(zhì)本身不均質(zhì)熱電偶在計量室檢定時，按規(guī)程要求，插入檢定爐內(nèi)的深度只有300mm。因此每支熱電偶的檢定結(jié)果，確切地說只能體現(xiàn)或主要體現(xiàn)出從測量端開始300mm長偶絲的熱電行為，然而，當(dāng)熱電偶的長度較長時，則大部分偶絲處于高溫區(qū)，如果熱電偶絲是均質(zhì)的，那么依據(jù)均質(zhì)回路定則，測量結(jié)果與長度無關(guān)。然而，熱電偶絲并非均質(zhì)，尤其是廉金屬熱電偶絲其均質(zhì)性較差，又處于具有溫度梯度的場合，那么其局部將產(chǎn)生熱電動勢，該電動勢稱為寄生電勢。由寄生電勢引起的誤差稱為不均質(zhì)誤差。

    在現(xiàn)有貴金屬、廉金屬熱電偶檢定規(guī)程中，對熱電偶的不均質(zhì)尚未作出規(guī)定，只有在熱電偶絲材標(biāo)準(zhǔn)中，對熱電偶絲的不均勻性有一定要求。對廉金屬熱電偶采用首尾檢定法求出不均勻熱電動勢。正規(guī)熱電偶絲材生產(chǎn)廠均按國家標(biāo)準(zhǔn)要求，生產(chǎn)出均勻性符合要求的產(chǎn)品。(2) 熱電偶絲經(jīng)使用后產(chǎn)生的不均質(zhì)對于新制的熱電偶，即使是小均勻熱電動勢能滿足要求，但是，反復(fù)加工、彎曲致使熱電偶產(chǎn)生加工畸變，也將使其失去均質(zhì)性，而且使用中熱電偶長期處于高溫下也會因偶絲的劣化而引起熱電動勢變化，例如：插入工業(yè)爐中的熱電偶，將沿偶絲長度方向發(fā)生劣化，并隨溫度增高，劣化增強，當(dāng)劣化的部分處于具有溫度梯度的場所，也將產(chǎn)生寄生電動勢疊加在總熱電動勢中而出現(xiàn)測量誤差。

    作者在實踐中發(fā)現(xiàn)，有的熱電偶經(jīng)計量部門檢定為合格的產(chǎn)品(多為廉金屬熱電偶)到現(xiàn)場使用時卻不合格，再返回到計量部門檢定仍然合格，其中主要原因就是偶絲不均質(zhì)引起的。生產(chǎn)熱電偶的技術(shù)人員都切身體會到，熱電偶的不合格率也隨其長度的增加而增加，皆是受熱電偶絲材不均質(zhì)的影響。總之，由不均質(zhì)即寄生電動勢引起的誤差，取決于熱電偶絲自身的不均質(zhì)程度及溫度梯度的大小，對其定量極其困難。

．鎧裝熱電偶的分流誤差

(1) 分流誤差瓦軸集團滲碳爐用鎧裝熱電偶，僅使用一周就不準(zhǔn)了。為探討原因，作者曾到現(xiàn)場考察，但未發(fā)現(xiàn)異常，只好從爐子上取下來經(jīng)計量室檢定，結(jié)果合格。那么問題何在呢?*后，根據(jù)該支熱電偶的現(xiàn)場安裝特點，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，上述問題是鎧裝熱電偶的分流誤差造成的

    所謂分流誤差即用鎧裝熱電偶測量爐溫時，當(dāng)熱電偶中間部位有超過800％的溫度分布存在時，因其絕緣電阻下降，熱電偶示值出現(xiàn)異常的現(xiàn)象，稱為分流誤差。依據(jù)均質(zhì)回路定則，用熱電偶測溫只與測量端與參考端兩端溫度有關(guān)，與中間溫度分布無關(guān)。可是由于鎧裝熱電偶的絕緣物是粉末狀MgO，溫度每升高100℃，其絕緣電阻下降一個數(shù)量級，當(dāng)中間部位溫度較高時，必定有漏電流產(chǎn)生，致使在熱電偶輸出電勢中有分流誤差出現(xiàn)。(2) 分流誤差生的條件將鎧裝熱電偶水平插入爐內(nèi)(如圖1所示)，其規(guī)格及試驗條件為：Φ48mm，長度為25mm，中問部位加熱帶的長度為20m，溫度為1000℃。本次試驗中，熱電偶的測量端與中間部位的溫差為200℃如果測量端溫度高于中間部位，則產(chǎn)生負(fù)誤差；相反，則產(chǎn)生正誤差。如果兩者的溫差為200％，那么，分流誤差約為1O0℃。這是**不能忽視的，分流誤差的產(chǎn)生條件與鎧裝熱電偶種類和直徑等因素有關(guān)(見表3)。

圖1 典型的分流誤差舉例（試驗值）

表3 鎧裝熱電偶產(chǎn)生分流誤差的條件

3．分流誤差的影響因素及對策

    高溫下鎧裝熱電偶產(chǎn)生分流誤差的現(xiàn)象，正在引起人們的重視，因此有必要了解分流誤差的影響因素，并采取適當(dāng)對策以減少或消除分流誤差的影響。

(1) 鎧裝熱電偶直徑對于長度為9m的K型鎧裝熱電偶(MgO絕緣)，只將熱電偶中間部位加熱。試驗結(jié)果表明：分流誤差的大小與其直徑的平方根成反比(直徑過細(xì)，不遵守此規(guī)律)，即直徑越細(xì)，分流誤差越大。

    當(dāng)中間部位溫度高于800℃時，對于Φ3.2mm鎧裝熱電偶將產(chǎn)生分流誤差，但對于Φ6.4mm及Φ8mm鎧裝熱電偶，當(dāng)中間部位的溫度為900℃時，仍未發(fā)現(xiàn)分流誤差。對于Φ6.4mm(熱電極絲為Φ1.4mm)與Φ8mm(熱電極絲為Φ2.Omm)的鎧裝熱電偶，當(dāng)中間部位溫度為11OO℃時，Φ8mm的鎧裝熱電偶產(chǎn)生的分流誤差僅為Φ6.4mm的一半。此數(shù)值(50％)近似于兩種鎧裝熱電偶電極絲直徑的平方比(1.42/2.O2)，而電極絲直徑平方比，即為電極絲的電阻比。因此，為了減少分流誤差，應(yīng)盡可能選用粗直徑的鎧裝熱電偶。

(2) 中間部位的溫度如果中間部位的溫度超過800℃，有可能產(chǎn)生分流誤差，其大小將隨溫度的升高。呈指數(shù)關(guān)系增大。因此，除測量端外，其他部位應(yīng)盡可能避免超過800℃。

(3) 中間部位加熱帶長度及位置當(dāng)中間部位加熱帶溫度高于800℃時，其加熱帶的長度越長，距離測量端越遠(yuǎn)，分流誤差也越大。因此，應(yīng)盡可能縮短加熱帶長度，并且，不要在遠(yuǎn)離測量端處加熱，以減少分流誤差。

(4) 熱電偶絲的電阻當(dāng)鎧裝熱電偶的直徑相同時，分流誤差將隨熱電偶絲的電阻增大而增加。因此，采用電阻小的熱電偶絲更好。例如：直徑相同的S型鎧裝熱電偶同K型熱電偶相比，其分流誤差減小40℃。因此，可采用S型熱電偶測量爐內(nèi)溫度場分布，費用雖高，但較準(zhǔn)確。

(5) 絕緣電阻高溫下氧化物的電阻率將隨溫度的升高呈指數(shù)降低，分流誤差的大小主要取決于高溫部分的絕緣性能，絕緣電阻越低，越容易產(chǎn)生分流誤差。當(dāng)絕緣電阻增加1O倍或減少至1/10時，其分流誤差也隨之減少至1/10或增大10倍。為了減少分流誤差，應(yīng)盡可能采用直徑粗的鎧裝熱電偶，增加絕緣層厚度。如果上述措施無效時，只好采用裝配式熱電偶。

4．短程有序結(jié)構(gòu)變化(K狀態(tài))的影響

    K型熱電偶在250～600℃范圍內(nèi)使用時。由于其*微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成短程有序結(jié)構(gòu)，因此將影響熱電勢值而產(chǎn)牛誤差，這就是所謂的K狀態(tài)。它是Ni-Cr臺金特有的晶格變化，當(dāng)ωCr在5%～30%范圍內(nèi)存在著原于晶格從有序→無序的轉(zhuǎn)變。由此引起的誤差，因Cr含量及溫度的不同而變化。該現(xiàn)象如圖2所示。圖2中數(shù)據(jù)是通過如下試驗獲得：將K型熱電偶從300℃加熱至800℃，每50℃取一點，測量該點電勢。由圖2可以看出在450℃時偏差*大可達(dá)4℃，在350～600℃范圍內(nèi)，均為正偏差。發(fā)生上述異常現(xiàn)象的熱電偶，在800℃以上經(jīng)短時間熱處理，其熱電特性即可恢復(fù)。由于K狀態(tài)的存在，使K型熱電偶在升溫或降溫檢定結(jié)果不一致，故在廉金屬熱電偶榆檢定規(guī)程中明文規(guī)定檢定順序：由低溫向高溫逐點升溫檢定。而且在400℃檢定點，不僅傳熱效果不佳，難以達(dá)到熱平衡，而且，衛(wèi)恰好處于K狀態(tài)誤差*大范圍。因此，塒該點判定弁格與否時應(yīng)很慎重。

圖2 K型熱電偶短程有序結(jié)構(gòu)變化影響的試驗結(jié)果

    Ni-Cr合金短程有序結(jié)構(gòu)變化現(xiàn)象，不僅存在于K型，而且，在E型熱電偶正極中也有此現(xiàn)象。但是，作為變化量E型熱電偶僅為K型的2/3。總之，K狀態(tài)與溫度、時間有關(guān)，當(dāng)溫度分布或熱電偶位置變化時，其偏差也會發(fā)生很大變化。故難以對偏差大小作出準(zhǔn)確評價。

5.使用氣氛的影響

(1) 選擇性氧化對于含F(xiàn)e的Ni-Cr合金。如果氧分壓低于特定值，那么同O2親和力大的Cr，將發(fā)生選擇性氧化，這是Ni-Cr合金特有的晶界氧化。如用顯微鏡觀察外表面氧化層，就可以看到綠色析出物，這種現(xiàn)象通常稱為“綠蝕”。尤其是當(dāng)溫度在800℃～1050℃范圍內(nèi)，體系內(nèi)又含有CO、H2等還原性氣體時，K型熱電偶的正極，更容易發(fā)生選擇性氧化。這種因Cr含量降低而引起的熱電勢偏低，已成為K型熱電偶在熱處理行業(yè)長期使用的限制因素。

    如果采用的氣體很純，并且系統(tǒng)中不含氧。可以延長熱電偶使用壽命。可是，如果熱電偶絲表面有氧化層時，仍可為Cr的選擇性氧化提供足夠的氧。因此，在非氧化性氣氛中使用時，應(yīng)采用干凈、拋光的偶絲。同時，應(yīng)盡可能避免在帶有微量氧的惰性氣體或氧分壓很低的空氣中使用。當(dāng)保護管長徑比較大時(即保護管很細(xì))，由于空氣循環(huán)**，形成缺氧狀態(tài)，其殘留的少量氧仍可為Cr的選擇性氧化提供條件。

(2) 選擇性氧化的判斷K型熱電偶發(fā)生選擇性氧化，可通過如下現(xiàn)象判斷：①正常的K型熱電偶絲，應(yīng)為銀灰色，并帶有金屬光澤，如發(fā)生選擇性氧化，則在偶絲表面或表層下，將有綠色脆性鱗狀物生成。②如將偶絲彎曲，選擇性氧化部分將因其脆化使偶絲表面有裂紋產(chǎn)生。③K型偶正極通常不親磁，但氧化后帶有磁性。④在較短時間內(nèi)熱電動勢將產(chǎn)生較大的負(fù)偏差。

(3) 選擇性氧化的對策為了防止或減緩K型熱電偶因選擇性氧化而引起劣化，除了在材質(zhì)方面加以改善外，還應(yīng)在熱電偶結(jié)構(gòu)上采取相應(yīng)對策：

①選擇對氧親和力較Cr更強的金屬作為吸氣劑，封入保護管內(nèi)，防止Cr發(fā)生選擇性氧化，也可以采用增加保護管直徑或吹氣的方法增加氧含量。

②裝配式熱電偶實體化作者。開發(fā)的**產(chǎn)品——實體型滲碳爐用熱電偶，即開發(fā)出具有密封結(jié)構(gòu)的裝配式熱電偶，可防止Cr發(fā)生選擇性氧化．經(jīng)乩軸集團、一汽、二汽、易普森工業(yè)爐、沈重、對同一種傳感器，如K型熱電偶的**使用溫度也因直徑不同而變化，直徑相同的K型熱電偶也因結(jié)構(gòu)的不同，其穩(wěn)定性也有很大差異。在選擇熱電偶時，必須針對使用條件考慮以下幾點：①常用溫度及**使用溫度；②氧化還原等使用氣氛；③抗振動性能。

    對于裝配式熱電偶結(jié)構(gòu)而言，氣氛的影響，首先取決于保護管材質(zhì)及熱電偶結(jié)構(gòu)，因此，熟悉、掌握各種保護管材料的物理、化學(xué)性能是很必要的。例如：在粉末冶金行業(yè)中，常用鉬管作為熱電偶保護管。在1600℃的H2氣氛下，使用效果較好。然而，鉬管在氧化性氣氛下，很短時問就因氧化而蝕損。其次，應(yīng)根據(jù)使用氣氛，選擇合適的熱電偶，在1300℃以上的氧化性氣氛中，選擇鉑銠熱電偶，在還原性、真空條件下采用鎢錸熱電偶較好。對于K型熱電偶，適于在空氣、02等氣氛中工作，但在H2中使用時，其表面被H2還原，短時間無影響，如果長時間暴露在H2中，在加速還原的同時，將使偶絲發(fā)生晶粒長大而斷線；在CO或煤氣等還原性氣氛中，其劣化將顯著加快而超差。對于鎧裝熱電偶，氫的原子半徑很小，容易透過外套進入其內(nèi)部，同樣也將加速劣化，致使熱電勢值大幅度降低。

(5) 絕緣電阻的影響熱電偶用絕緣物，在高溫下，其絕緣電阻隨溫度升高而急驟降低，因此，將有漏電流產(chǎn)生，該電流通過絕緣電阻已經(jīng)下降的絕緣物流入儀表，使儀表指示不穩(wěn)或產(chǎn)生測量誤差，也可能發(fā)生記錄儀亂打的現(xiàn)象。

三、熱電偶劣化與使用壽命

1.熱電偶的劣化

    凡從事溫度檢測的工程技術(shù)人員皆關(guān)心熱電偶使用壽命，這是很自然的，否則，心中無數(shù)將十分被動。熱電偶的使用壽命與其劣化有關(guān)，所謂熱電偶的劣化，即熱電偶經(jīng)使用后，出現(xiàn)老化變質(zhì)的現(xiàn)象。由金屬或合金構(gòu)成的熱電偶，在高溫下其內(nèi)部晶粒要逐漸長大。同時合金中含有少量雜質(zhì)，其位置或形狀也將發(fā)生變化，而且，對周圍環(huán)境中的還原或氧化性氣體也要發(fā)生反應(yīng)，伴隨上述變化，熱電偶的熱電動勢也將極其敏感地發(fā)生變化。聞此熱電偶的劣化現(xiàn)象是不避免的。

2.熱電偶的使用壽命

    熱電偶的劣化是個量變過程，對其定量很困難，它將隨熱電偶的種類、直徑、使用溫度、氣氛和時間的不同而變化。熱電偶的使用壽命是指熱電偶劣化發(fā)展到超過允許誤差，甚至斷線不能使用的時間。

(1)裝配式熱電偶的壽命我國標(biāo)準(zhǔn)中僅對熱電偶的穩(wěn)定性有要求。即規(guī)定在某一溫度下經(jīng)

    200h使用前后熱電動勢的變化范圍。但是，尚未發(fā)現(xiàn)對使用壽命有規(guī)定。日本有關(guān)熱電偶使用壽命的要求，足依據(jù)日本JIS(C-1602-1995)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的熱電偶連續(xù)使用時間。對B、R、S型熱電偶而言為2000h，K、E、J、T型熱電偶為10000h。

    在實際使用時、裝配式熱電偶通常有保護管，只自在特殊情況下才裸絲使用。因此，在多數(shù)場合下，保護管的壽命決定了熱電偶壽命。對熱電偶的實際使川壽命的判斷，必須是通過長期收集、積累實際使用狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，才有可能給出較準(zhǔn)確的結(jié)果。

(2)鎧裝熱電偶的壽命由于鎧裝熱電偶有套管保護與外界環(huán)境隔絕，因此管材質(zhì)對鎧裝熱電偶的壽命影響很大，必須根據(jù)用途選擇熱電偶絲及金屬套管。當(dāng)材質(zhì)選定后，其壽命又隨著鎧裝熱電偶直徑的增大而增加。鎧裝熱電偶同裝配式熱電偶相比，雖有許多優(yōu)點，但也容易發(fā)生劣化。

四、結(jié)語