鎧裝熱電偶測(cè)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(cè)量精度,本文介紹分流誤差的佌及分流誤差模型；測(cè)試條件對(duì)分流誤差的影響;溫度對(duì)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(cè)溫誤差。該誤差有時(shí)可達(dá)數(shù)百度。國(guó)外在六十年代就開始了該方面較為系統(tǒng)的研究,早期的研究?jī)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ThO2、BeO等。近年來(lái)該研究已擴(kuò)展到MgO絕緣的K型鎧裝熱電偶,發(fā)現(xiàn)在800℃以上的溫場(chǎng)中出現(xiàn)明顯的分流誤差。
　　國(guó)內(nèi)K型鎧裝熱電偶的研究生產(chǎn)和使用已有較長(zhǎng)的歷史,近年來(lái)又相繼研究和開發(fā)出鎧裝半導(dǎo)體二維溫度監(jiān)控電纜和鎧裝無(wú)機(jī)信號(hào)電纜等新產(chǎn)品',但對(duì)其分流誤差的研究報(bào)導(dǎo)甚少。本文對(duì)國(guó)外近年來(lái)在該方面代表性的內(nèi)容和結(jié)果作簡(jiǎn)要介紹,供我國(guó)在該領(lǐng)域作參考。
二、分流誤差實(shí)例及模擬試驗(yàn)
　　具有代表性的分流誤差試驗(yàn)實(shí)例示于圖1,試樣為一根長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)(JIS)。將熱電偶測(cè)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(yù)熱區(qū)至1200℃加熱區(qū)。同時(shí)以爐子冷卻區(qū)引入另一熱電偶于加熱區(qū)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(yàn)中,從鎧裝熱電偶的測(cè)量端至參考端,爐內(nèi)的實(shí)際溫場(chǎng)呈一定梯度分布。
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　　模擬上述試驗(yàn),取長(zhǎng)分別為40m、60m、80m直徑為φ3mm的K型鎧裝熱電偶,分別在中間長(zhǎng)度為30m,50m、70m部分加熱至.1100℃,且通過(guò)改變測(cè)量端溫度(800~1200℃)測(cè)量指示誤差,結(jié)果示于圖2.可見(jiàn)其規(guī)律類似于圖1的結(jié)果。該誤差由高溫下MgO絕緣材料電阻降低導(dǎo)致偶絲與套管間電流泄漏引起。
三、分流現(xiàn)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(dǎo)參量描述的鎧裝熱電偶三線傳輸模型示于圖3,該模型忽略了各線間的電容,可用四個(gè)獨(dú)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(dá)，下標(biāo)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(shì);Gjk為電導(dǎo);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(dǎo)
　　具有圖4所示橫截面的鎧裝熱電偶的電導(dǎo)由式(5)~式(8)給出。偶絲電導(dǎo)(j=1或2):
 
　　式中:d1、d2為套管的內(nèi)徑和外徑;d3為偶絲軸線間距離;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(shù)列于表1。
 
　　通過(guò)計(jì)算可知,采用不同套管的鎧裝熱電偶,將對(duì)分流誤差產(chǎn)生不同的影響。
 
 
3、絕緣電阻性能
　　對(duì)K型鎧裝熱電偶絕緣電阻隨溫度變化的試驗(yàn)結(jié)果示于圖5,試樣來(lái)自三個(gè)廠家的長(zhǎng)2m直徑φ2mm不銹鋼套管MgO絕緣的K型鎧裝熱電偶。
 
四、測(cè)量條件對(duì)分流誤差的影響
　　當(dāng)熱電偶在800℃以上使用時(shí),通過(guò)模擬，試驗(yàn)了解各種測(cè)量條件對(duì)分流誤差的影響,試驗(yàn)結(jié)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(yīng)盡量選擇較粗的鎧裝熱電偶。2.加熱溫度:對(duì)于廣泛使用的3.2mm熱電偶,當(dāng)溫場(chǎng)中溫度達(dá)800℃以上時(shí),會(huì)出現(xiàn)明顯的分流誤差。因此在使用中應(yīng)防止鎧裝熱電偶中間部分置于800℃以上的區(qū)域。
3.加熱長(zhǎng)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(dá)中間過(guò)熱部分的溫度。
4.加熱位置:當(dāng)受熱位置由測(cè)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(jié)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(dá)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(jù)報(bào)導(dǎo)采用BeO絕緣的鎧裝熱電偶在1100℃溫場(chǎng)中使用仍未發(fā)現(xiàn)明顯的分流誤差。