鎧裝熱電偶的分流誤差及漂移
 

摘要：詳細(xì)探討產(chǎn)生分流誤差的主要因素：鎧裝熱電偶的直徑、種類(lèi)、使用溫度、中間部位加熱帶長(zhǎng)度、絕緣物種類(lèi)及狀態(tài)等，對(duì)分流誤差的影響及其對(duì)策。其結(jié)論可供鎧裝熱電偶的正確合理使用及生產(chǎn)制造者參考。

關(guān)鍵詞：鎧裝熱電偶；鎧裝熱電偶分流誤差；鎧裝熱電偶絕緣電阻；鎧裝熱電偶漏電電流

在我國(guó)，鎧裝熱電偶是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的測(cè)溫元件。它是將帶有絕緣物的熱電偶絲裝入金屬套管內(nèi)，三者經(jīng)特殊工藝?yán)贫傻膱?jiān)實(shí)整體；再將鎧裝熱電偶線材，按用戶需要截?cái)?，?duì)其測(cè)量端及參考端加工，即制成鎧裝熱電偶。

由于鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu)緊湊，直徑很細(xì)，絕緣層薄。絕緣物MgO在高溫下絕緣電阻降低，引起分流誤差等問(wèn)題。常被人們忽視，但影響測(cè)量精度與使用。目前，正在引起人們的重視。

• 分流誤差產(chǎn)生條件

1.1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)10米，敷設(shè)在爐內(nèi)，如果爐內(nèi)中間部位溫度過(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，通常將此種異?，F(xiàn)象稱為鎧裝熱電偶的分流誤差。它的大小并非定值，它與鎧裝熱電偶的種類(lèi)、直徑、使用情況、溫度分布、絕緣物的種類(lèi)及狀態(tài)有關(guān)。

1.2分流誤差產(chǎn)生條件

    將鎧裝熱電偶水平插入爐內(nèi)。其規(guī)格及實(shí)驗(yàn)條件如下：直徑φ4.8㎜，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℃。如果測(cè)量端溫度高于中間部位，產(chǎn)生負(fù)誤差；相反，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℃。這是不能忽視的，分流誤差的產(chǎn)生條件與鎧裝熱電偶種類(lèi)和直徑等因素有關(guān)。

表1 鎧裝熱電偶產(chǎn)生分流誤差的條件[2]

2．分流誤差的產(chǎn)生機(jī)理

由測(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)，假設(shè)K型鎧裝熱電偶，沿偶絲長(zhǎng)度方向有電位時(shí)。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。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，由于中間部位溫度高，且有溫差存在，熱電偶絲間必將產(chǎn)生電位差。

    在高溫下，當(dāng)采用絕緣MgO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(lèi)、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)。以上定性的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。

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9米的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)候，對(duì)于Ф3.2㎜鎧裝熱電偶將產(chǎn)生分流誤差。但對(duì)于Ф6.4㎜及Ф8㎜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Ф6.4㎜（熱電偶絲直徑為Ф1.4㎜）與Ф8㎜（熱電偶絲直徑為Ф2.0㎜）的鎧裝熱電偶，當(dāng)中間部位溫度為1100℃時(shí)，直徑為Ф8㎜的鎧裝熱電偶，產(chǎn)生的分流誤差僅為Ф6.4㎜的一半。此數(shù)值（50%）近似于兩種鎧裝熱電偶電極絲直徑的平方比（1.42/2.02=0.49），而電極絲直徑平方比，即為電極絲的電阻比，當(dāng)中間部位的溫度為1150℃時(shí)，采用直徑為Ф10㎜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)中間部位的加熱溫度高于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絲的電阻增大而增加。因此，采用電阻小的熱電偶絲更好。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。

8）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。

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；

3）K型與S型相比，K型鎧裝熱電偶更容易產(chǎn)生分流誤差；

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