鎧裝熱電偶的分流誤差

[摘要]詳細探討產生分流誤差的主要因素:鎧裝熱電偶的直徑、種類、使用溫度、中間部位加熱帶長度、絕緣物種類及狀態等，對分流誤差的影響及其對策。其結論可供鎧裝熱電偶的正確合理使用及生產制造者參考。
前言
　　在我國，鎧裝熱電偶是20世紀60年代發展起來的測溫元件。它是將帶有絕緣物的熱電偶絲裝入金屬套管內,三者經特殊工藝拉制而成的堅實整體;再將鎧裝熱電偶線材按用戶需要截斷對其測量端及參考端加工，即制成鎧裝熱電偶。由于鎧裝熱電偶結構緊湊,直徑很細,絕緣層薄。絕緣物MgO在高溫下絕緣電阻降低,引起分流誤差等問題。常被人們忽視,但影響測量精度與使用。目前,正在引起人們的重視。
1分流誤差產生條件
1.1分流誤差
　　用鎧裝熱電偶測量爐內溫度分布時,采用的熱電偶有時長達數10米,敷設在爐內,如果爐內中間部位溫度超過800℃,并有溫度梯度存在時,那么,鎧裝熱電偶的示值將可能出現異常,通常將此種異常現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、直徑、使用情況、溫度分布、絕緣物的種類及狀態有關。
 
1.2分流誤差產生條件
　　將鎧裝熱電偶水平插入爐內,如圖1所示。其規格及實驗條件如下:直徑φ4.8nm長度為25m,中間部位加熱帶的長度為20m,溫度為1000℃。該實驗中,熱電偶的測量端與中間部位的溫差為200℃.如果測量端溫度高于中間部位,產生負誤差;相反則產生正誤差。如果兩者的溫差為200℃,那么,分流誤差約為100℃。這是絕對不能忽視的,分流誤差的產生條件與鎧裝熱電偶種類和直徑等因素有關。(見表1)
 
2分流誤差的產生機理
　　由測溫原理可知,分流誤差與熱電偶熱電動勢的產生密切相關,產生分流誤差的概念如圖2所示。當熱電偶處于溫差為△t的場合下(見圖2),將產生熱電動勢△E:
 
　　假設K型鎧裝熱電偶,沿偶絲長度方向有電位時(見圖4)。對于溫度-定部位,其熱電動勢不變,但對有溫度梯度存在的部位,其熱電動勢將發生變化。
 
　　同理，當中間部位溫度較高時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。這種場合中,由于中間部位溫度高,且有溫差存在,熱電偶絲間必將產生電位差。
　　在高溫下,當采用絕緣MgO時,溫度每升高100℃,其絕緣電阻將下降一個數量級,因此,當中間部位溫度高時,必定有漏電電流產生,該漏電電流將在熱電偶的閉合回路內流動。當圖5中D部位的電位梯度很小時,其電位分布將如圖6所示,而電位梯度VU。的大小保持不變。因此,由絕緣電阻下降所弓|起的變化,將在熱電偶的輸出熱電動勢中以分流誤差的形式體現出來。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，分流部位與測量端的距離等因素有關。以上定性的探討了分流誤差的產生,如果定量的探討熱電偶的分流誤差,只能通過熱電偶的等效電路進行計算。
 
3分流誤差的影響因素及對策
1)鎧裝熱電偶的直徑
　　對長度為9米的K型鎧裝熱電偶(MgO絕緣),只對熱電偶中間部位加熱。實驗結果表明:分流誤差的大小與其直徑的平方根成反比,即直徑越細分流誤差越大(直徑過細,不遵守此規律)當中間部位溫度高于800℃時候,對于中3.2nm鎧裝熱電偶將產生分流誤差。但對于中6.4mm及中8mm鎧裝熱電偶,當中間部位的溫度為900°C時,仍未發現分流誤差。對于中6.4mm(熱電偶絲直徑為中1.4nm)與中8mm(熱電偶絲直徑為中2.Omm)的鎧裝熱電偶,當中間部位溫度為1100℃時,直徑為中8mm的鎧裝熱電偶,產生的分流誤差僅為中6.4mm的一伴。此數值(50%)近似于兩種鎧裝熱電偶電極絲直徑的平方比(1.43/20=0.49),而電極絲直徑平方比,即為電極絲的電阻比當中間部位的溫度為1150℃時,采用直徑為中10m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800℃,有可能產生分流誤差,其大小將隨加熱溫度的升高呈指數關系增大。因此,除測量端外,其它部位應盡可能避免超過800℃,這是很必要的。為達到上述目的,可將鎧裝熱電偶置入管內,再向管中通入空氣或氮氣進行冷卻降溫,將鎧裝熱電偶中間部位的溫度控制在800℃以下。
3)中間部位加熱帶長度及位置
　　當中間部位的加熱溫度高于800C時,中間部位加熱帶的長度越長,距離測量端越遠,分流誤差越大。因此遵照上述原則應盡可能縮短加熱帶長度,并且,不要在遠離測量端處加熱,以減少分流誤差。
4)熱電偶絲的回路電阻
當鎧裝熱電偶的直徑相同時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,越容易產生分流誤差。當絕緣電阻增加10倍或減少至1/10時,其分流誤差也隨之減少至1/10或增大10倍。
6分流誤差影響實例
①鎧裝熱電偶(φ8)測量爐溫。約兩周左右,現場技術人員發現熱電偶超差,但從裝置上取下來經計量部i]檢定合格。經研究發現,該熱電偶在安裝時要穿過加熱帶,中間部位溫度高于測量端,在800℃以上,由分流誤差引起熱電偶超差。
②鎧裝熱電偶，在1200℃以上使用,經幾個小時后,發現熱電偶指示溫度超差,可是在低溫下檢定完全合格其原因也是由于高溫漏電引起分流誤差所致。
7)為了減少分流誤差,應盡可能采用直徑粗的鎧裝熱電偶,增加絕緣層厚度。如果測量條件惡劣，上述措施無效時,只好采用裝配式熱電偶。
4結束語
高溫下鎧裝熱電偶產生分流誤差的現象,正在引起人們的重視,分流誤差的大小，與下列因素有關:
1)鎧裝熱電偶的直徑越細,絕緣電阻越低,越容易產生分流誤差;
2)鎧裝熱電偶中間部位溫度超過800℃時,溫度越高,加熱帶的長度越長,并且,距測量端越遠,越容易產生分流誤差;
3)K型與S型相比,K型鎧裝熱電偶更容易產生分流誤差。