由于鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu)緊湊，直徑很細(xì)，絕緣層薄，在高溫下絕緣物MgO的絕緣電阻降低，因此引發(fā)出分流誤差等問(wèn)題。以前，這一問(wèn)題常常被忽視，影響測(cè)量精度與使用。目前，它正在引起人們的重視。
1、分流誤差
用鎧裝熱電偶測(cè)量爐內(nèi)溫度分布時(shí)，采用的熱電偶有時(shí)長(zhǎng)達(dá)數(shù)10m，敷設(shè)在爐內(nèi)，如果爐內(nèi)中間部位溫度超過(guò)800℃，并有溫度梯度存在時(shí)，那么鎧裝熱電偶的示值將可能出現(xiàn)異常，通常將這種異?，F(xiàn)象稱為鎧裝熱電偶的分流誤差。它的大小并非定值，與鎧裝熱電偶的種類、直徑、使用情況、溫度分布、絕緣物的種類及狀態(tài)有關(guān)。本文將參照日本學(xué)術(shù)振興會(huì)研究報(bào)告，結(jié)合實(shí)踐予以說(shuō)明。
1.1 分流誤差的產(chǎn)生條件
將鎧裝熱電偶水平插入爐內(nèi)，如圖1所示。其規(guī)格及實(shí)驗(yàn)條件如下：直徑為Φ4.8mm，長(zhǎng)度為25m，中間部位加熱帶的長(zhǎng)度為20m，溫度為1000℃。該實(shí)驗(yàn)中，熱電偶的測(cè)量端與中間部位的溫差為200℃。如果鎧裝熱電偶測(cè)量端溫度高于中間部位，產(chǎn)生負(fù)誤差；相反，鎧裝熱電偶測(cè)量端溫度低于中間部位則產(chǎn)生正誤差。如果兩者的溫差為200℃，那么分流誤差約為100℃。這是絕對(duì)不能忽視的，分流誤差的產(chǎn)生條件與鎧裝熱電偶種類和直徑等因素有關(guān)。
圖1 典型的分流誤差舉例(實(shí)驗(yàn)值)
1.2 分流誤差的產(chǎn)生機(jī)理
由熱電偶測(cè)溫原理可知，分流誤差與熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生密切相關(guān)，產(chǎn)生分流誤差的概念如圖2所示。
圖2 溫差與熱電動(dòng)勢(shì)
當(dāng)熱電偶處于溫差為Δt的場(chǎng)合下(見(jiàn)圖2)，將產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)ΔE：ΔE=S×Δt，式中S為熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)率。
當(dāng)熱電偶的兩端溫度分別為t1，t2時(shí)(見(jiàn)圖3) ，熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為：
圖3 溫度分布
假設(shè)K型鎧裝熱電偶，沿偶絲長(zhǎng)度方向有電位時(shí)(見(jiàn)圖4)，對(duì)于溫度一定部位，其熱電動(dòng)勢(shì)不變，但對(duì)有溫度梯度存在的部位，其熱電動(dòng)勢(shì)將發(fā)生變化。
圖4 電位分布與溫度分布的關(guān)系
同理，當(dāng)中間部位溫度較高時(shí)，在熱電偶偶絲之間保持絕緣的條件下，其電位分布如圖5所示。在這種場(chǎng)合中，由于中間部位溫度高，且有溫差存在，熱電偶偶絲之間必將產(chǎn)生電位差。
圖5 鎧裝熱電偶中間部位溫度高，并保持絕緣情況下的電位分布
在高溫下，當(dāng)采用MgO絕緣時(shí)，溫度每升高100℃，其絕緣電阻將下降一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此當(dāng)中間部位溫度高時(shí)，必定有漏電電流產(chǎn)生，該漏電電流將在熱電偶的閉合回路內(nèi)流動(dòng)。當(dāng)圖5中D1部位的電位梯度很小時(shí)，其電位分布將如圖6所示，而電位梯度?UD2的大小保持不變。因此，由絕緣電阻下降所引起的變化，將在熱電偶的輸出熱電動(dòng)勢(shì)中以分流誤差的形式體現(xiàn)出來(lái)。分流誤差的大小與熱電偶的種類、直徑，熱電偶絲間絕緣電阻，分流部位與測(cè)量端的距離等因素有關(guān)。以上定性地探討了分流誤差的產(chǎn)生，如果定量的探討熱電偶的分流誤差，只能通過(guò)熱電偶的等效電路進(jìn)行計(jì)算。
圖6 高溫下，鎧裝熱電偶中間部位的絕緣電阻變小時(shí)的電位分布
1.3 分流誤差的影響因素及對(duì)策
①鎧裝熱電偶的直徑
對(duì)長(zhǎng)度為9m的K型鎧裝熱電偶(MgO絕緣)，只對(duì)熱電偶中間部位加熱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:分流誤差的大小與其直徑的平方根成反比，即直徑越細(xì)，分流誤差越大(直徑過(guò)細(xì)，不遵守此規(guī)律)。
當(dāng)中間部位溫度高于800℃時(shí)，對(duì)于?3.2mm鎧裝熱電偶將產(chǎn)生分流誤差。但對(duì)于?6.4mm及?8mm鎧裝熱電偶，當(dāng)中間部位的溫度為900℃時(shí)，仍未發(fā)現(xiàn)分流誤差。對(duì)于?6.4mm(熱電偶偶絲直徑為?1.4mm)與?8mm(熱電偶偶絲直徑為?2.0mm)的鎧裝熱電偶，當(dāng)中間部位溫度為1100℃時(shí)，直徑為?8mm的鎧裝熱電偶，產(chǎn)生的分流誤差僅為?6.4mm的一半。此數(shù)值 (50%) 近似于兩種鎧裝熱電偶偶絲直徑的平方比(1.42/2.02=0.49)，而偶絲直徑平方比，即為偶絲的電阻比，當(dāng)中間部位的溫度為1150℃時(shí)，采用直徑為?10mm的特種鎧裝熱電偶才有可能消除分流誤差。因此，為了減少分流誤差應(yīng)盡可能選用粗直徑的鎧裝熱電偶。
②中間部位的溫度
如果中間部位的加熱溫度超過(guò)800℃，有可能產(chǎn)生分流誤差，其大小將隨加熱溫度的升高呈指數(shù)關(guān)系增大。因此，除測(cè)量端外，其它部位應(yīng)盡可能避免超過(guò)800℃，這是很必要的。為達(dá)到上述目的，可將鎧裝熱電偶置入管內(nèi)，再向管中通入空氣或氮?dú)膺M(jìn)行冷卻降溫，將鎧裝熱電偶中間部位的溫度控制在800℃以下。
③中間部位加熱帶長(zhǎng)度及位置
當(dāng)中間部位的溫度高于800℃時(shí)，中間部位加熱帶的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，距離測(cè)量端越遠(yuǎn)，分流誤差越大。因此，遵照上述原則，應(yīng)盡可能縮短加熱帶長(zhǎng)度，并且不要在遠(yuǎn)離測(cè)量端處加熱，以減少分流誤差。
④熱電偶絲的回路電阻
當(dāng)鎧裝熱電偶的直徑相同時(shí)，分流誤差將隨熱電偶偶絲的回路電阻增大而增加。因此，采用回路電阻小的熱電偶較好。例如直徑相同的S型鎧裝熱電偶同K型熱電偶相比，其分流誤差減少40%。
⑤絕緣電阻
高溫下氧化物的電阻率將隨溫度的升高呈指數(shù)降低，分流誤差的大小主要取決于高溫部分的絕緣性能，絕緣電阻越低，越容易產(chǎn)生分流誤差。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。
為了減少分流誤差，應(yīng)盡可能采用直徑粗的鎧裝熱電偶，增加絕緣層厚度。如果測(cè)量條件惡劣，上述措施無(wú)效時(shí)，只好采用裝配式熱電偶。
2、鎧裝熱電偶的劣化
對(duì)于鎧裝熱電偶應(yīng)注意如下事項(xiàng):
①鎧裝熱電偶的制作。依據(jù)鎧裝熱電偶的材質(zhì)，選擇適宜的制作工藝，否則因加工不當(dāng)致使熱電偶偶絲中有殘留畸變產(chǎn)生，有可能引起熱電偶劣化或特性漂移。
②鎧裝熱電偶的測(cè)量端如果封頭不完全，有微小裂紋或裂縫存在，潮濕氣體有可能侵入，致使絕緣電阻下降。
③鎧裝熱電偶的正極，如果未形成致密的氧化膜，并且套管內(nèi)有殘留微量氧或者測(cè)量端頭有微小氣孔、裂縫，可使氧進(jìn)入套管內(nèi)，致使正極中Cr發(fā)生選擇性氧化，引起劣化變質(zhì)。
④過(guò)度彎折鎧裝熱電偶，有可能產(chǎn)生寄生電勢(shì)。
3、高溫下鎧裝熱電偶的漂移特性
為了探討高溫下鎧裝熱電偶的漂移特性，實(shí)驗(yàn)研究了鎧裝熱電偶套管材質(zhì)、規(guī)格及使用溫度對(duì)漂移的影響。
3.1 實(shí)驗(yàn)條件
①鎧裝熱電偶套管材質(zhì)：不銹鋼(SUS310S)，因科內(nèi)爾(NCF600)，Ni-Cr合金
②實(shí)驗(yàn)溫度：1000-1200℃
③規(guī)格：直徑?1.6mm-?22mm的K型與N型鎧裝熱電偶
3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
①當(dāng)熱電偶種類及外徑相同時(shí)，漂移的速度受套管材質(zhì)影響很大。漂移順序自左向右逐漸增大:Ni-Cr<NCF600<SOS310S，其比例約為：0.75:1:5。
②在高溫下，N型與K型相比，無(wú)論采用何種套管材料，外徑及加熱溫度，N型鎧裝熱電偶更穩(wěn)定，其漂移速度均小于K型。
③當(dāng)熱電偶種類與套管材質(zhì)相同時(shí)，其漂移速度與直徑成反比。
④同一規(guī)格、型號(hào)的鎧裝熱電偶，其漂移隨溫度的升高而增大，近1200℃的漂移速度約為近1100℃的兩倍
⑤如果采用NCF600管，其使用壽命(空氣中)要求為4000h，漂移量為±0.75%時(shí)，那么對(duì)鎧裝熱電偶的規(guī)格應(yīng)按測(cè)溫范圍作如下選擇：1000℃時(shí)，外徑>1.6mm；1100℃時(shí)，外徑>3.2mm；1200℃時(shí)，外徑>6.4mm。否則，難以滿足用戶要求。
4、結(jié)束語(yǔ)
高溫下鎧裝熱電偶產(chǎn)生分流誤差的現(xiàn)象，正在引起人們的重視，分流誤差的大小，與下列因素有關(guān)：
①鎧裝熱電偶的直徑越細(xì)，絕緣電阻越低，越容易產(chǎn)生分流誤差；
②鎧裝熱電偶中間部位溫度超過(guò)800℃時(shí)，溫度越高，加熱帶的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，并且距測(cè)量端越遠(yuǎn)，越容易產(chǎn)生分流誤差；
③K型與S型相比，K型鎧裝熱電偶更容易產(chǎn)生分流誤差。
