保護套管對熱電偶測溫影響

摘要:在熱電偶得到廣泛應用的過(guò)程中,為滿(mǎn)足其測試穩定性及使用壽命的要求,熱電偶保護套管得到了大量應用，但這也不可避免地對熱電偶的測溫產(chǎn)生一定影響。本文選取一種典型的熱電偶保護套管，進(jìn)行對比試驗,分析其影響規律,并提出了保護套管的使用要求和規范。
0引言
       隨著(zhù)科技的不斷進(jìn)步,工業(yè)自動(dòng)化程度越來(lái)越高，溫度的測控已經(jīng)逐步涉及到工農業(yè)生產(chǎn)、國防、科研、醫療、環(huán)保、氣象以及宇航等各個(gè)領(lǐng)域。熱電偶因其性能穩定、正確可靠、結構簡(jiǎn)單、使用方便、測溫范圍廣、信號可遠傳等優(yōu)點(diǎn)，使得它在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究等各領(lǐng)域中成為了應用為廣泛的測溫元件，同時(shí)因測試環(huán)境、使用壽命等條件的限制與要求，熱電偶保護套管作為熱電偶測溫過(guò)程中的重要附件,也被越來(lái)越得到廣泛的采用,但加裝保護套管對熱電偶的測溫究竟會(huì )產(chǎn)生怎樣的影響?影響程度是否有一定的規律?找出其中的影響規律,將能夠給保護套管在熱電偶測溫過(guò)程中提出重要的指導作用。
1熱電偶保護套管簡(jiǎn)介
1.1熱電偶保護套管的作用
       熱電偶保護管的用途主要有兩個(gè):(1)防止熱電偶遭受機械損壞;(2)保護熱電偶免受被測介質(zhì)的腐蝕等有害影響。熱電偶的穩定性、使用壽命等各項性能指標，都與保護管密切相關(guān)。據有關(guān)數據統計,排除那些因使用不當造成的損壞，在正常的測量范圍內,保護管材料越優(yōu)異,其損壞率便越低。因此,在實(shí)際使用過(guò)程中選擇優(yōu)質(zhì)的保護管是延長(cháng)熱電偶使用壽命的前提。
       理想的保護套管應具有:耐高溫、耐腐蝕、氣密性好、導熱性好、有足夠的機械強度和一定的耐溫劇變、物理和化學(xué)性能穩定、價(jià)格低廉等性能。
1.2熱電偶保護套管的分類(lèi)
       通常情況下，熱電偶保護管都為單保護管,某些特殊情況下，也可安裝兩個(gè)同心保護管。離熱電偶近的為主保護管,外圍的那個(gè)叫輔助保護管。主保護管通常采用氧化鋁為材料,輔助保護管采用碳化硅,主保護管跟輔助保護管套構成組合保護管,以此獲得更佳的性能,如抗熱沖擊或者防機械損壞等。熱電偶保護管按材質(zhì)可以分為金屬保護管、非.金屬保護管、金屬陶瓷保護管三類(lèi)。其中金屬保護管具有機械強度高、韌性好等優(yōu)勢,但由于金屬材料耐熱性能欠佳，且溫度過(guò)高易發(fā)生氧化，因此基本在1000℃以下使用。非金屬保護管多為石英管、瓷管、莫來(lái)石管及剛玉管,具有耐熱性且抗腐蝕等優(yōu)勢,但存在強度低、造價(jià)昂貴等缺點(diǎn)。金屬陶瓷保護管則結合了兩種材料的優(yōu)勢。
2熱電偶保護套管影響測試實(shí)驗
       由于現在市場(chǎng)上保護套管的品類(lèi)及材質(zhì)眾多，本次測試僅以在計量測試中較為常用的石英材質(zhì)套管為例進(jìn)行了測試。為了提高實(shí)驗精度和穩定性，本次測試選用兩支一等鉑銠。鉑熱電偶溫度計，其中一支作為標準件,另一支作為測試件,采用雙極比較法進(jìn)行測試。測試時(shí)，把爐溫升到預定的溫度點(diǎn)，保持一段時(shí)間,使熱電偶的測量端達到熱平衡后開(kāi)始測量。
被測試熱電偶在各測試點(diǎn)上的熱電動(dòng)勢E可用下式計算:
E_t被=`E<sub>t被</sub>+(E<sub>t標</sub>`E_t被)(1)
其中:E被測試時(shí)被測試熱電偶測得的熱電動(dòng)勢算術(shù)平均值;
E_t標一標準熱電偶證書(shū)上給出的熱電動(dòng)勢值;
E_t標一測試時(shí)標準熱電偶測得的熱電動(dòng)勢算術(shù)平均值。
       為了增加可比性，所有的測試結果，最終都換算成被測試熱電偶在相應溫度值處的溫差，其計算公式如下:

       式中:S(t)熱電偶的微分熱電動(dòng)勢值(μV/℃)為了保證測試實(shí)驗的完整性和有效性,同時(shí)考慮到各種因素對測量結果產(chǎn)生的影響，測試實(shí)驗選取其常用的500℃~1000℃范圍內，整百數點(diǎn)為測試點(diǎn)。每個(gè)測試點(diǎn)測試3次,其中每次測試間隔采樣4次取平均值。
3實(shí)驗數據分析
       通過(guò)測試獲得裝有保護套管和未加裝保護套管熱電偶在對應溫度點(diǎn)處的溫差測量實(shí)驗數據如表1(單位:9℃)。將對應溫度點(diǎn)的溫差平均值繪制成曲線(xiàn)如圖1。
經(jīng)過(guò)分析，從圖中我們發(fā)現:
(1)加裝保護套管的數據曲線(xiàn)整體在未加裝保護套管的下方，從式(2)我們可以得出主要是因為加裝保護套管后，測得的熱電動(dòng)勢相較于未加裝保護套管數值更小的緣故,即加裝保護套管部分影響了熱傳導，導致測得的熱電動(dòng)勢減小;

(2)未加裝保護套管的溫差測量曲線(xiàn)相對平滑，加裝保護套管后溫差測量曲線(xiàn)存在一定的波動(dòng)，即加裝保護套管后,對溫差測量產(chǎn)生了一定影響，且對應于溫度點(diǎn)各不相同;
(3)相較測量范圍內的溫差，在極值點(diǎn)處數值偏差較大，而在中間區域，兩者的數值偏差相對較小，甚至是重合的。即保護套管在極值處的影響更大。
4保護套管的使用規范及要求
       在熱電偶保護管選擇中，應考慮的因素有:被測介質(zhì)的溫度、流速、腐蝕性,管子的粗細、壁厚、長(cháng)短、氣密性、抗熱沖擊、化學(xué)適應性、承受壓力、應力、響應速度、性?xún)r(jià)比。我們可以根據實(shí)際情況，選擇合適的保護管材料。熱電偶保護管的選取原則是:根據技術(shù)指標結合實(shí)際情況，來(lái)選擇方案。在實(shí)際工作中，我們可以根據經(jīng)驗、廠(chǎng)家說(shuō)明書(shū)或選用指南手冊，快速地選取保護管材料。在使用這些資料時(shí)必須仔細注意各種特定的情況。
       通過(guò)實(shí)驗室測試，熱電偶導體及套管的傳熱問(wèn)題可能引起測量誤差，為了減小這種影響，除了選用合適的熱電偶保護套管外，在實(shí)際使用中還應注意以下幾點(diǎn):
(1)插入深度要求
       測量端應有足夠的插入深度,應使保護套管的.測量端超過(guò)套管中心線(xiàn)(5~10)mm。
(2)插入方向要求
       保證測溫元件與流體充分接觸,最好是迎著(zhù)被測介質(zhì)流向插入正交90也可,但切勿與被測介質(zhì)形成順流。
(3)熱電偶的選擇要求
       如果被測對象體積小，熱容量不大，應盡可能不用金屬套管,并且采用細直徑的熱電偶絲。
5結論
       針對保護套管對熱電偶測溫影響,本文選取了一種典型的保護套管(石英材質(zhì)保護套管)在500℃~1000℃范圍內,進(jìn)行了實(shí)驗測試，并對數據結果對比分析發(fā)現保護套管會(huì )一定程度的影響熱電偶測溫,并且在極值點(diǎn)處對熱電偶測溫影響更大。另外根據實(shí)驗測試結果，總結了熱電偶保護套管選型應考慮的因素和原則，及在實(shí)際使用中應注意的要求，以便使保護套管對熱電偶測溫的影響降到最小。