鎧裝熱電偶測溫的分流誤差

摘要：K型鎧裝熱電偶在1000℃左右的溫場中使用時產生的分流誤差有時影響其測量精度,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。該誤差有時可達數百度。國外在六十年代就開始了該方面較為系統的研究,早期的研究僅局限于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。近年來該研究已擴展到MgO絕緣的K型鎧裝熱電偶,發現在800℃以上的溫場中出現明顯的分流誤差。
　　國內K型鎧裝熱電偶的研究生產和使用已有較長的歷史,近年來又相繼研究和開發出鎧裝半導體二維溫度監控電纜和鎧裝無機信號電纜等新產品',但對其分流誤差的研究報導甚少。本文對國外近年來在該方面代表性的內容和結果作簡要介紹,供我國在該領域作參考。
二、分流誤差實例及模擬試驗
　　具有代表性的分流誤差試驗實例示于圖1,試樣為一根長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標準(JIS)。將熱電偶測量端焊于一鋼帶上,牽引鋼帶進入鋼件加熱爐中,經800℃預熱區至1200℃加熱區。同時以爐子冷卻區引入另一熱電偶于加熱區相同位量,以便進行比較,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。在該實驗中,從鎧裝熱電偶的測量端至參考端,爐內的實際溫場呈一定梯度分布。
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　　模擬上述試驗,取長分別為40m、60m、80m直徑為φ3mm的K型鎧裝熱電偶,分別在中間長度為30m,50m、70m部分加熱至.1100℃,且通過改變測量端溫度(800~1200℃)測量指示誤差,結果示于圖2.可見其規律類似于圖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.鎧裝熱電偶的電學模型
　　以分布電源和電導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,可用四個獨立方程來描述,其中三個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隨溫度變化的關系由式(9)和(10)表示，等式中的各參數列于表1。
 
　　通過計算可知,采用不同套管的鎧裝熱電偶,將對分流誤差產生不同的影響。
 
 
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,試樣來自三個廠家的長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,通過模擬，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,當溫場中溫度達800℃以上時,會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.加熱長度:鎧裝熱電偶中間部分受熱程度增加時,分流誤差增大,在極端情況下,最大指示誤差可達中間過熱部分的溫度。
4.加熱位置:當受熱位置由測量端向參考端附近移動時分流誤差增大。
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℃溫場中使用仍未發現明顯的分流誤差。