铠装热电偶的分流误差

摘要：详细探讨产生分流误差的主要因素：铠装热电偶的直径、种类、使用温度、中间部位加热带长度、绝缘物种类及状态等，对分流误差的影响及其对策。其结论可供铠装热电偶的正确合理使用及生产制造者参考。 前 言 在我国，铠装热电偶是20世纪60年代发展起来的测温元件。它是将带有绝缘物的热电偶丝装入金属套管内，三者经特殊工艺拉制而成的坚实整体；再将铠装热电偶线材，按用户需要截断，对其测量端及参考端加工，即制成铠装热电偶。 由于铠装热电偶结构紧凑，直径很细，绝缘层薄。绝缘物MgO在高温下绝缘电阻降低，引起分流误差等问题。常被人们忽视，但影响测量精度与使用。目前，正在引起人们的重视。 一、分流误差产生条件 1.1 分流误差 用铠装热电偶测量炉内温度分布时，采用的热电偶有时长达数10米，敷设在炉内，如果炉内中间部位温度超过800℃，并有温度梯度存在时，那么，铠装热电偶的示值将可能出现异常，通常将此种异常现象称为铠装热电偶的分流误差。它的大小并非定值，它与铠装热电偶的种类、直径、使用情况、温度分布、绝缘物的种类及状态有关[1]。本文参照日本学术振兴会研究报告，结合自己的实践予以说明。 1.2 分流误差产生条件 将铠装热电偶水平插入炉内，如图1所示。其规格及实验条件如下：直径φ4.8mm，长度为25m，中间部位加热带的长度为20m，温度为1000℃。该实验中，热电偶的测量端与中间部位的温差为200℃。如果测量端温度高于中间部位，产生负误差；相反，则产生正误差。如果两者的温差为200℃，那么，分流误差约为100℃。这是绝对不能忽视的，分流误差的产生条件与铠装热电偶种类和直径等因素有关。(见表1) 二、分流误差的产生机理 由测温原理可知，分流误差与热电偶热电动势的产生密切相关，产生分流误差的概念如图2所示。 当热电偶处于温差为△t的场合下(见图2)，将产生热电动势△E: △E=S.△t (1) 式中：S为热电偶的热电动势率。 当然电偶的两端温度分别为t1，t2时(见图3)，那么，热电偶的热电动势为： 假设K型铠装热电偶，沿偶丝长度方向有电位时(见图4)。对于温度一定部位，其热电动势不变，但对温度梯度存在的部位，其热电动势将发生变化。 同理，当中间部位温度较高时，在热电偶偶丝之间保持绝缘的条件下，其电位分布如图5所示。这种场合中，由于中间部位温度高，且有温差存在，热电偶丝间必将产生电位差。 在高温下，当采用绝缘MgO时，温度每升高100℃，其绝缘电阻将下降一个数量级，因此，当中间部位温度高时，必定有漏电电流产生，该漏电电流将在热电偶的闭合回路内流动。当图5中D1部位的电位梯度很小时，其电位分布将如图6所示，而电位梯度△UD2的大小保持不变。因此，由绝缘电阻下降所引起的变化，将在热电偶的输出热电动势中以分流误差的形式体现出来。分流误差的大小与与热电偶的种类、直径、热电偶丝间绝缘电阻，分流部位与测量端的距离等因素有关。以上定性的探讨了分流误差的产生，如果定量的探讨热电偶的分流误差，只能通过热电偶的等效电路进行计算。 三、分流误差的影响因素及对策 (1) 铠装热电偶的直径 对长度为9米的K型铠装热电偶(MgO绝缘)，只对热电偶中间部位加热。实验结果表明：分流误差的大小与其直径的平方根成反比，即直径越细，分流误差越大(直径过细，不遵守此规律)。 当中间部位温度高于800℃时候，对于Φ3.2mm铠装热电偶将产生分流误差。但对于Φ6.4mm及Φ8mm铠装热电偶，当中间部位的温度为900℃时，仍未发现分流误差。对于Φ6.4mm(热电偶丝直径为Φ1.4mm)与Φ8mm(热电偶丝直径为Φ2.0mm)的铠装热电偶，当中间部位温度为1100℃时，直径为Φ8mm的铠装热电偶，产生的分流误差仅为Φ6.4mm的一半。此数值(50%)近似于两种铠装热电偶电极丝直径的平方比(1.42/2.02=0.49)，而电极丝直径平方比，即为电极丝的电阻比，当中间部位的温度为1150℃时，采用直径为Φ10mm特种铠装热电偶才有可能消除分流误差。因此，为了减少分流误差应尽可能选用粗直径的铠装热电偶。 (2) 中间部位的温度 如果中间部位的加热温度超过800℃，有可能产生分流误差，其大小将随加热温度的升高呈指数关系增大。因此，除测量端外，其它部位应尽可能避免超过800℃，这是很必要的。为达到上述目的，可将铠装热电偶置入管内，再向管中通入空气或氮气进行冷却降温，将铠装热电偶中间部位的温度控制在800℃以下。 (3) 中间部位加热带长度及位置 当中间部位的加热温度高于800℃时，中间部位加热带的长度越长，距离测量端越远，分流误差越大。因此，遵照上述原则，应尽可能缩短加热带长度，并且，不要在远离测量端处加热，以减少分流误差。 (4) 热电偶丝的回路电阻 当铠装热电偶的直径相同时，分流误差将随热电偶丝的的电阻增大而增加。因此，采用电阻小的热电偶丝更好。例如直径相同的S型铠装热电偶同K型热电偶相比，其分流误差减少40%。 (5) 绝缘电阻 高温下氧化物的电阻率将随温度的升高呈指数降低，分流误差的大小主要取决于高温部分的绝缘性能，绝缘电阻越低，越容易产生分流误差。当绝缘电阻增加10倍或减少至1/10时，其分流误差也随之减少至1/10或增大10倍。 (6) 分流误差影响实例 ① 作者曾为瓦轴集团滚筒炉提供铠装热电偶(Φ8)测量炉温。约两周左右，现场技术人员发现热电偶超差，但从装置上取下来经计量部门检定合格。经研究发现，该热电偶在安装时要穿过加热带，中间部位温度高于测量端，在800℃以上，由分流误差引起热电偶超差。 ② 沈阳黎明公司从易普森公司进口的铠装热电偶，在1200℃以上使用，经几个小时后，发现热电偶指示温度超差，可是在低温下检定完全合格，其原因也是由于高温漏电引起分流误差所致。 (7) 为了减少分流误差，应尽可能采用直径粗的铠装热电偶，增加绝缘层厚度。如果测量条件恶劣，上述措施无效时，只好采用装配式热电偶。 四、结束语 高温下铠装热电偶产生分流误差的现象，正在引起人们的重视，分流误差的大小，与下列因素有关： (1) 铠装热电偶的直径越细，绝缘电阻越低，越容易产生分流误差； (2) 铠装热电偶中间部位温度超过800℃时，温度越高，加热带的长度越长，并且，距测量端越远，越容易产生分流误差； (3) K型与S型相比，K型铠装热电偶更容易产生分流误差。 G-2004-3