鎧裝熱電偶使用壽命與其影響因素

摘要:針對(duì)鎧裝熱電偶在使用過(guò)程中出現(xiàn)的故障,對(duì)熱電偶絕緣阻值及性能進(jìn)行分析，并在高溫油污等嚴(yán)酷環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)研究。電偶測(cè)量端的焊接質(zhì)量和絕緣電阻大小是影響鎧裝熱電偶測(cè)溫精度和使用壽命的主要因素。指出:為保證熱電偶的測(cè)溫精度和使用壽命,在采購(gòu)和使用前,應(yīng)對(duì)絕緣電阻有嚴(yán)格的檢驗(yàn)要求。
0引言
　　隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，熱電偶以其測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量范圍廣、可遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)和科研活動(dòng)中。熱電偶主要用來(lái)檢測(cè)和控制溫度，但鎧裝熱電偶的使用直徑、種類、使用溫度、中間部位加熱帶長(zhǎng)度、絕緣物種類及狀態(tài)等方面的差異，導(dǎo)致其用于工業(yè)生產(chǎn)時(shí)無(wú)法精確測(cè)溫，使用壽命短，產(chǎn)品報(bào)廢率高。由于對(duì)熱電偶故障缺乏相關(guān)分析工具，導(dǎo)致故障原因無(wú)法定位。國(guó)內(nèi)試驗(yàn)研究表明:高溫下氧化物的電阻率隨溫度的升高呈指數(shù)降低，當(dāng)絕緣電阻增加10倍或減少至1/10時(shí)，其分流誤差也隨之減少至1/10或增大10倍["]。目前大部分研究針對(duì)對(duì)測(cè)量精度的影響，而對(duì)使用壽命的影響很少涉及。結(jié)合某斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)測(cè)溫時(shí)出現(xiàn)的故障，對(duì)鎧裝熱電偶故障進(jìn)行機(jī)理分析和試驗(yàn)研究，為提高熱電偶使用壽命及故障處理提供依據(jù)。
1熱電偶工作原理
　　兩種不同成分的導(dǎo)體(稱為熱電偶絲材或熱電極)兩端接合成回路，當(dāng)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，就會(huì)在回路中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，或稱為塞貝克電勢(shì)。這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，其中，直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端(也稱為測(cè)量端)，另一端叫做冷端(也稱為補(bǔ)償端);冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示所產(chǎn)生的熱電勢(shì)。熱電偶工作原理見(jiàn)圖1。
 
　　塞貝克電勢(shì)其實(shí)是接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì)作用的結(jié)果，回路中的總電動(dòng)勢(shì)EAB(T,T0)為:
EAB(T,T0)=EAB(T)-EA(T,T0)+EB(T,T0)-EAB(T0)(1)
　　式中:EAB(T)、EAB(T)為溫度分別為T、T0時(shí)，A、B之間的接觸電動(dòng)勢(shì);EA、(T,T0)、EB(T,T0)為A、B電極在兩端溫度分別為T、T0時(shí)各自產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)。
2熱電偶使用壽命影響因素分析
　　根據(jù)熱電偶測(cè)溫原理，熱電偶的熱電勢(shì)只與兩接點(diǎn)溫度有關(guān)。但實(shí)際情況比較復(fù)雜，可能與使用的熱電偶直徑、種類、使用溫度、測(cè)量端接點(diǎn)、絕緣電阻等因素有關(guān)。但當(dāng)熱電偶型號(hào)確定后,其直徑、種類、使用溫度便已確定。現(xiàn)結(jié)合某斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)測(cè)溫故障，具體探討影響熱電偶使用壽命的主要因素。
2.1使用實(shí)例
　　某斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)燃油(柴油)噴射量，實(shí)現(xiàn)功率的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，而缸內(nèi)溫度的變化直接關(guān)系到燃燒效率。缸內(nèi)溫度的變化值在發(fā)動(dòng)機(jī)功率閉環(huán)控制環(huán)節(jié)中作為前饋值，影響功率的精確控制輸出。為實(shí)時(shí)檢測(cè)各缸溫度變化，獲得最短的響應(yīng)時(shí)間，選用一種耐高溫，響應(yīng)快的鎧裝熱電偶，直接插人缸內(nèi)進(jìn)行溫度測(cè)量。由于使用環(huán)境惡劣，熱電偶選用K型NiCr-Ni耐高溫鎧裝熱電偶，具體參數(shù)見(jiàn)表1。但該熱電偶在使用過(guò)程中，不斷發(fā)生故障，故障現(xiàn)象為端部燒毀,呈斷路狀態(tài);且使用壽命很短，平均僅十幾個(gè)小時(shí)。
2.2測(cè)量端接點(diǎn)的影響
　　熱電偶測(cè)量端的構(gòu)成方式有焊接、鉚接、壓接和插人等方式，如圖2。
 
　　在實(shí)際操作中，由于熱電偶兩個(gè)熱電極經(jīng)焊接，可能成另一種合金，導(dǎo)致測(cè)量端溫度不一致,從而帶來(lái)誤差。因此，理論上當(dāng)兩個(gè)電極采用焊接、鉚接或壓緊在導(dǎo)體表面上時(shí)，兩電極應(yīng)盡量靠近，接點(diǎn)盡量小時(shí)，t≈t',在溫度測(cè)量時(shí)，該誤差可以忽略不計(jì)，對(duì)一般測(cè)量精度無(wú)影響。
　　但通過(guò)對(duì)不同使用壽命的熱電偶解剖對(duì)比發(fā)現(xiàn):壽命長(zhǎng)的熱電偶其測(cè)量端如圖3(a)所示，圓潤(rùn)飽滿，焊接可靠。壽命短的熱電偶其測(cè)量端如圖3(b~d)所示，其測(cè)量端接點(diǎn)存在明顯的焊接缺陷:有焊縫、塌陷。
 
　　在熱電偶制造過(guò)程中，熱電偶的測(cè)量端通常采用第三種導(dǎo)體將兩個(gè)偶絲焊接在一-起，當(dāng)焊點(diǎn)出現(xiàn)焊接缺陷時(shí)，熱電偶偶絲導(dǎo)熱，將引起其被測(cè)表面溫度場(chǎng)發(fā)生變化，造成測(cè)量端溫度不一致，產(chǎn)生測(cè)量誤差。如果長(zhǎng)時(shí)間在高溫油污環(huán)境下工作，熱電偶會(huì)粘連油污;當(dāng)缸內(nèi)燃燒不均勻時(shí)，火焰會(huì)導(dǎo)致熱電偶表面出現(xiàn)溫差，局部高溫;對(duì)于有焊接缺陷的測(cè)量端，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間工作，其焊接點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂,焊點(diǎn)融毀，直至斷裂，如圖4所示。最終影響熱電偶測(cè)溫可靠性及使用壽命。
 
2.3絕緣阻值的影響
2.3.1理論分析
　　鎧裝熱電偶套管內(nèi)的絕緣材料主要為氧化鎂,但因其吸濕性大，端面祖露在外短時(shí)間內(nèi)絕緣電阻可降低到kΩ以下。正常情況下，絕緣電阻與熱電勢(shì)之間的關(guān)系如式(2),熱電偶測(cè)量等效圖如圖5。
 
R=r2r3/(r2+r3),E0=R/(r1+R)·EA(2)
　　式中:EA為熱電偶的熱電勢(shì);r1為偶絲和補(bǔ)償導(dǎo)線的電阻;r2為絕緣電阻;r3為檢測(cè)儀器內(nèi)阻;E0為熱電偶輸出電勢(shì)差。
　　理論上，當(dāng)r2極大時(shí)，絕緣電阻R就等于r2;而當(dāng)r1很小時(shí)，R/(r1+R)近似為1。由于檢測(cè)儀器內(nèi)阻r3比較大，約為10~100MΩ,所以該因素可以忽略，E0=EA。
　　依據(jù)均質(zhì)回路定則，熱電偶測(cè)溫只與測(cè)量端與參考端兩端溫度有關(guān)，與中間溫度分布無(wú)關(guān)。可是由于鎧裝熱電偶的絕緣物是粉末狀Mg0，溫度每升高100℃，其絕緣電阻下降一個(gè)數(shù)量級(jí)，當(dāng)中間部位溫度較高時(shí)，必定有漏電流產(chǎn)生，致使在熱電偶輸出電勢(shì)中有分流誤差出現(xiàn)，由此會(huì)引起較大的測(cè)量誤差。當(dāng)熱電偶在高溫環(huán)境中持續(xù)工作時(shí)，絕緣物中殘留的濕氣受熱會(huì)劇烈膨脹,導(dǎo)致熱電偶測(cè)量端出現(xiàn)氣泡、破裂，最終在高溫火焰中燒損。
2.3.2試驗(yàn)研究
　　為研究絕緣電阻與熱電偶?jí)勖年P(guān)系，在200只熱電偶中隨機(jī)抽取50只熱電偶樣本進(jìn)行試驗(yàn)研究。經(jīng)初步測(cè)量和檢驗(yàn)后，在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)進(jìn)行一系列耐溫和壽命摸底試驗(yàn)。圖6為熱電偶冷態(tài)絕緣電阻與其使用壽命的關(guān)系。由圖可知:熱電偶絕緣性能的好壞直接影響其使用壽命，當(dāng)冷態(tài)絕緣電阻低于50MΩ時(shí)，使用壽命急劇縮短，冷態(tài)絕緣電阻越大，使用壽命越長(zhǎng)。
 
　　結(jié)合熱電偶理論分析和壽命試驗(yàn)認(rèn)為:為保證熱電偶的測(cè)量精度和使用壽命，在采購(gòu)和檢驗(yàn)時(shí),對(duì)絕緣電阻應(yīng)有嚴(yán)格明確的要求，具體如下:
(1)根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，鎧裝K型熱電偶冷態(tài)絕緣電阻要求為:室溫時(shí)，傳感器與外殼間絕緣電阻應(yīng)不小于100MΩ,測(cè)量電壓為500±50VDC;
(2)當(dāng)絕緣電阻低于5MΩ,為了減少分流誤差，延長(zhǎng)使用壽命，應(yīng)盡可能采用直徑粗的鎧裝熱電偶，增加絕緣層厚度。
3結(jié)論
(1)熱電偶測(cè)量端的焊接質(zhì)量和絕緣電阻的大小，是影響鎧裝熱電偶測(cè)溫精度和使用壽命的主要因素;
(2)冷態(tài)絕緣電阻測(cè)量是判斷熱電偶品質(zhì)好壞的最直接、簡(jiǎn)便和有效的手段之-;
(3)為保證熱電偶測(cè)量精度和使用壽命，在采購(gòu)和使用前，對(duì)絕緣電阻應(yīng)有嚴(yán)格的檢驗(yàn)要求。