鎧裝熱電偶測溫的分流誤差

摘要：K型鎧裝熱電偶在1000℃左右的溫場(chǎng)中使用時(shí)產(chǎn)生的分流誤差有時(shí)影響其測量精度,本文介紹分流誤差的佌及分流誤差模型；測試條件對分流誤差的影響;溫度對絕緣電阻的影響和減小分流誤差的方法等,
一、引言
　　分流誤差是鎧裝熱電偶由于絕緣材料電阻下降所引起的測溫誤差。該誤差有時(shí)可達數百度。國外在六十年代就開(kāi)始了該方面較為系統的研究,早期的研究?jì)H局限于1400℃以上的高溫鎧裝熱電偶,如WRe和Pt-Rh熱電偶等其絕緣材料主要為T(mén)hO2、BeO等。近年來(lái)該研究已擴展到MgO絕緣的K型鎧裝熱電偶,發(fā)現在800℃以上的溫場(chǎng)中出現明顯的分流誤差。
　　國內K型鎧裝熱電偶的研究生產(chǎn)和使用已有較長(cháng)的歷史,近年來(lái)又相繼研究和開(kāi)發(fā)出鎧裝半導體二維溫度監控電纜和鎧裝無(wú)機信號電纜等新產(chǎn)品',但對其分流誤差的研究報導甚少。本文對國外近年來(lái)在該方面代表性的內容和結果作簡(jiǎn)要介紹,供我國在該領(lǐng)域作參考。
二、分流誤差實(shí)例及模擬試驗
　　具有代表性的分流誤差試驗實(shí)例示于圖1,試樣為一根長(cháng)60m、直徑φ2mm、304不銹鋼套管和MgO絕緣的K型鎧裝熱電偶,熱電偶符合日本工業(yè)標準(JIS)。將熱電偶測量端焊于一鋼帶上,牽引鋼帶進(jìn)入鋼件加熱爐中,經(jīng)800℃預熱區至1200℃加熱區。同時(shí)以爐子冷卻區引入另一熱電偶于加熱區相同位量,以便進(jìn)行比較,二者的指示溫度相差約200℃,取出熱電偶檢查,除了套管表面的輕微氧化以外并未損壞。在該實(shí)驗中,從鎧裝熱電偶的測量端至參考端,爐內的實(shí)際溫場(chǎng)呈一定梯度分布。
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　　模擬上述試驗,取長(cháng)分別為40m、60m、80m直徑為φ3mm的K型鎧裝熱電偶,分別在中間長(cháng)度為30m,50m、70m部分加熱至.1100℃,且通過(guò)改變測量端溫度(800~1200℃)測量指示誤差,結果示于圖2.可見(jiàn)其規律類(lèi)似于圖1的結果。該誤差由高溫下MgO絕緣材料電阻降低導致偶絲與套管間電流泄漏引起。
三、分流現象的模型及分析
1.鎧裝熱電偶的電學(xué)模型
　　以分布電源和電導參量描述的鎧裝熱電偶三線(xiàn)傳輸模型示于圖3,該模型忽略了各線(xiàn)間的電容,可用四個(gè)獨立方程來(lái)描述,其中三個(gè)方程用基爾霍夫電流定律和電壓定律表達，下標j、k、l分別代表兩根偶絲和套管材料。
 
　　Ej（i）為各種材料的電動(dòng)勢;Gjk為電導;Ij為電流;j、k、l為1.2或3(j≠k≠l)。
2.熱電偶的電路參量
(1)熱電偶的電導
　　具有圖4所示橫截面的鎧裝熱電偶的電導由式(5)~式(8)給出。偶絲電導(j=1或2):
 
　　式中:d1、d2為套管的內徑和外徑;d3為偶絲軸線(xiàn)間距離;dw為偶絲直徑(dw<d);ρj(j=1~
3)為偶絲、套管的電阻率;ρ7為絕緣材料電阻率。
　　電阻率ρ1和ρr隨溫度變化的關(guān)系由式(9)和(10)表示，等式中的各參數列于表1。
 
　　通過(guò)計算可知,采用不同套管的鎧裝熱電偶,將對分流誤差產(chǎn)生不同的影響。
 
 
3、絕緣電阻性能
　　對K型鎧裝熱電偶絕緣電阻隨溫度變化的試驗結果示于圖5,試樣來(lái)自三個(gè)廠(chǎng)家的長(cháng)2m直徑φ2mm不銹鋼套管MgO絕緣的K型鎧裝熱電偶。
 
四、測量條件對分流誤差的影響
　　當熱電偶在800℃以上使用時(shí),通過(guò)模擬，試驗了解各種測量條件對分流誤差的影響,試驗結果概括如下。
1.套管直徑:分流誤差與套管直徑平方成反比,因此在使用中應盡量選擇較粗的鎧裝熱電偶。2.加熱溫度:對于廣泛使用的3.2mm熱電偶,當溫場(chǎng)中溫度達800℃以上時(shí),會(huì )出現明顯的分流誤差。因此在使用中應防止鎧裝熱電偶中間部分置于800℃以上的區域。
3.加熱長(cháng)度:鎧裝熱電偶中間部分受熱程度增加時(shí),分流誤差增大,在極端情況下,最大指示誤差可達中間過(guò)熱部分的溫度。
4.加熱位置:當受熱位置由測量端向參考端附近移動(dòng)時(shí)分流誤差增大。
5.絕緣電阻:分流誤差隨鎧裝熱電偶絕緣電阻降低而增加。
五、減小分流誤差的措施
　　鑒于上述研究結果,減小分流誤差最有效的辦法是盡量使用較粗的鎧裝熱電偶。在實(shí)際使用中最大的套管外徑已達φ8mm和φ10mm。然而,直徑增大將造成使用安裝的困難,為解決這一問(wèn)題，曾采用單蕊鎧裝組合偶，增加偶絲間距或偶絲與套管間距,都無(wú)明顯效果,而增加偶絲直徑才有明顯效果。另一措施是采用冷卻型熱電偶,空氣通過(guò)管壁上特殊通道將熱電偶冷致800℃以下溫度。選擇具有更高絕緣電阻的絕緣材料替代MgO為另一有效措施。據報導采用BeO絕緣的鎧裝熱電偶在1100℃溫場(chǎng)中使用仍未發(fā)現明顯的分流誤差。