鎧裝熱電偶的正確使用及測量誤差

    為了提高測量精度，減少測量謀差，延長(cháng)熱電偶使用壽命，要求使用者不僅應具備儀表方面的操作技能，而且還應具有物理、化學(xué)及材料等多方面知識。作者根據多年實(shí)踐，并參閱有關(guān)資料較詳細地介紹熱電偶的正確使用及測量誤差。

一、測量誤差的主要影響因素

1．插入深度的影響

(1) 測溫點(diǎn)的選擇熱電偶的安裝位置，即測溫點(diǎn)的選擇是*重要的，測溫點(diǎn)的位置，對于生產(chǎn)工藝過(guò)程而言，一定要具有典型性、代表性，否則將失去測量與控制的意義。

(2) 插入深度熱電偶插人被測場(chǎng)所時(shí)，沿著(zhù)傳感器的長(cháng)度方向將產(chǎn)生熱流。當環(huán)境溫度低時(shí)就會(huì )有熱損失。致使熱電偶與被測對象的溫度不一致而產(chǎn)生測溫誤差?？傊?，由熱傳導而引起的誤差，與插入深度有關(guān)。而插人深度又與保護管材質(zhì)有關(guān)。金屬保護管因其導熱性能好，其插入深度應該深一些(約為直徑的15～20倍)，陶瓷材料絕熱性能好，可插入淺一些(約為直徑的10～15倍)。對于工程測溫，其插入深度還與測量對象是靜止或流動(dòng)等狀態(tài)有關(guān)，如流動(dòng)的液體或高速氣流溫度的測量，將不受上述限制，插入深度日可以淺一些，具體數值應由試驗確定。

2．響應時(shí)間的影響

    接觸法測溫的基本原理是測溫元件要與被測對象達到熱平衡。因此，在測溫時(shí)需要保持一定時(shí)間，才能使兩者達到熱平衡。而保持時(shí)間的長(cháng)短，同測溫元件的熱響應時(shí)間有關(guān)。而熱響應時(shí)間主要取決于傳感器的結構及測_旨條件，差別極大。對于氣體介質(zhì)，尤其是靜止氣體，至少應保持30min以上才能達到平衡；對于液體而言，*快也要在5min以上。

    對于溫度不斷變化的被測場(chǎng)所，尤其是瞬間變化過(guò)程，全過(guò)程僅1s，則要求傳感器的響應時(shí)間在毫秒級。因此，普通的溫度傳感器不僅跟不上被測對象的溫度變化速度出現滯后，而且也會(huì )因達不到熱平衡而產(chǎn)生測量誤差。**選擇響應快的傳感器。對熱電偶而言除受保護管影響外，熱電偶的測量端直徑也是其主要因素，即偶絲越細，測量端直徑越小，其熱響應時(shí)間越短。測溫元件熱響應誤差可通過(guò)下式確定。

△θ=△θ0e（-£/ζ）。(1)

式中ι——測量時(shí)間，s

△θ——在t時(shí)刻，測溫元件引起的誤差，K或℃

△θ——“t=O”時(shí)刻，測溫兒件引起的誤差，K或℃

τ——時(shí)問(wèn)常數，s

e——自然對數的底(2.718)

    因此，當t=τ時(shí)，則△θ=△θ0/e即為0.368△θ0 如果當T=2t時(shí)，則△θ=△θ/e2即為O.135△θ0

    當被測對象的溫度，以一定的速度α(K／s或℃/s)上升或下降時(shí)，經(jīng)過(guò)足夠的時(shí)間后，所產(chǎn)生的響應誤差可用下式表示：

△θ∞= -(2)

式中△θ∞——經(jīng)過(guò)足夠長(cháng)的時(shí)間后，測溫元件引起的誤差。K或水吧，

    由(2)式可以看出，響應誤差與時(shí)間常數(τ)成正比，表1，表2給出裝配式與鎧裝式熱電偶響應時(shí)間的試驗結果，可供參考。為了提高檢定效率許多企業(yè)采用自動(dòng)檢定裝置，對熱電偶進(jìn)行檢定，但是，該裝置也并非十分完善。二汽變速箱廠(chǎng)熱處理車(chē)問(wèn)就發(fā)現如果在400℃點(diǎn)的恒溫時(shí)間不夠，達不到熱平衡，就容易發(fā)生誤判。

表 1 K形熱電偶響應時(shí)間

表 2 鎧裝熱電偶響應時(shí)間

3．熱輻射的影響

    插入爐內用于測溫的熱電偶，將被高溫物體發(fā)出的熱輻射加熱。假定爐內氣體是透明的，而且，熱電偶與爐壁的溫差較大時(shí)，將因能量交換而產(chǎn)生測溫誤差。

在單位時(shí)間內，兩者交換的輻射能為P，可用

下式表示：

(3)

式中δ——斯忒藩一波爾茲常數

ε——發(fā)射率

Tt——熱電偶的溫度，K

Tw——爐壁的溫度，K
    在單位時(shí)間內，熱電偶同周?chē)臍怏w(溫度為T(mén))，通過(guò)對流及熱傳導也將發(fā)生熱量交換的能量為P′。

P′=αA(T-Tt)(4)

式中α——熱導率

A ——熱電偶的表面積

在正常狀態(tài)下，P=P′，其誤差為：

Tt –T=() /αA(5)

對于單位面積而言其誤差為：

Tt –T=() /α(6)

    因此，為了減少熱輻射誤差，應增大熱傳導，并使爐壁溫度Tw。盡可能接近熱電偶的溫Tt。另外，在安裝時(shí)還應注意：①熱電偶安裝位置應盡可能避開(kāi)從固體發(fā)出的熱輻射，使其不能輻射到熱電偶表面。②熱電偶**帶有熱輻射遮蔽套。

4．熱阻抗增加的影響

    在高溫下使用的熱電偶，如果被測介質(zhì)為氣態(tài)，那么保護管表面沉積的灰塵等將燒熔在表面上，使保護管的熱阻抗增大；如果被測介質(zhì)是熔體，在使用過(guò)程中將有爐渣沉積。不僅增加了熱電偶的響應時(shí)問(wèn)，而且還使指示溫度偏低。因此，除了定期檢定外，為了減少誤差，經(jīng)常抽檢也是必要的。例如，進(jìn)口銅熔煉爐，不僅安裝有連續測溫熱電偶，還配備消耗型熱電偶測溫裝置，用于及時(shí)校準連續測溫用熱電偶的準確度。

二、熱電偶測溫應注意的事項

1．熱電偶絲不均質(zhì)影響(1) 熱電偶材質(zhì)本身不均質(zhì)熱電偶在計量室檢定時(shí)，按規程要求，插入檢定爐內的深度只有300mm。因此每支熱電偶的檢定結果，確切地說(shuō)只能體現或主要體現出從測量端開(kāi)始300mm長(cháng)偶絲的熱電行為，然而，當熱電偶的長(cháng)度較長(cháng)時(shí)，則大部分偶絲處于高溫區，如果熱電偶絲是均質(zhì)的，那么依據均質(zhì)回路定則，測量結果與長(cháng)度無(wú)關(guān)。然而，熱電偶絲并非均質(zhì)，尤其是廉金屬熱電偶絲其均質(zhì)性較差，又處于具有溫度梯度的場(chǎng)合，那么其局部將產(chǎn)生熱電動(dòng)勢，該電動(dòng)勢稱(chēng)為寄生電勢。由寄生電勢引起的誤差稱(chēng)為不均質(zhì)誤差。

    在現有貴金屬、廉金屬熱電偶檢定規程中，對熱電偶的不均質(zhì)尚未作出規定，只有在熱電偶絲材標準中，對熱電偶絲的不均勻性有一定要求。對廉金屬熱電偶采用首尾檢定法求出不均勻熱電動(dòng)勢。正規熱電偶絲材生產(chǎn)廠(chǎng)均按國家標準要求，生產(chǎn)出均勻性符合要求的產(chǎn)品。(2) 熱電偶絲經(jīng)使用后產(chǎn)生的不均質(zhì)對于新制的熱電偶，即使是小均勻熱電動(dòng)勢能滿(mǎn)足要求，但是，反復加工、彎曲致使熱電偶產(chǎn)生加工畸變，也將使其失去均質(zhì)性，而且使用中熱電偶長(cháng)期處于高溫下也會(huì )因偶絲的劣化而引起熱電動(dòng)勢變化，例如：插入工業(yè)爐中的熱電偶，將沿偶絲長(cháng)度方向發(fā)生劣化，并隨溫度增高，劣化增強，當劣化的部分處于具有溫度梯度的場(chǎng)所，也將產(chǎn)生寄生電動(dòng)勢疊加在總熱電動(dòng)勢中而出現測量誤差。

    作者在實(shí)踐中發(fā)現，有的熱電偶經(jīng)計量部門(mén)檢定為合格的產(chǎn)品(多為廉金屬熱電偶)到現場(chǎng)使用時(shí)卻不合格，再返回到計量部門(mén)檢定仍然合格，其中主要原因就是偶絲不均質(zhì)引起的。生產(chǎn)熱電偶的技術(shù)人員都切身體會(huì )到，熱電偶的不合格率也隨其長(cháng)度的增加而增加，皆是受熱電偶絲材不均質(zhì)的影響?？傊?，由不均質(zhì)即寄生電動(dòng)勢引起的誤差，取決于熱電偶絲自身的不均質(zhì)程度及溫度梯度的大小，對其定量極其困難。

．鎧裝熱電偶的分流誤差

(1) 分流誤差瓦軸集團滲碳爐用鎧裝熱電偶，僅使用一周就不準了。為探討原因，作者曾到現場(chǎng)考察，但未發(fā)現異常，只好從爐子上取下來(lái)經(jīng)計量室檢定，結果合格。那么問(wèn)題何在呢?*后，根據該支熱電偶的現場(chǎng)安裝特點(diǎn)，經(jīng)研究發(fā)現，上述問(wèn)題是鎧裝熱電偶的分流誤差造成的

    所謂分流誤差即用鎧裝熱電偶測量爐溫時(shí)，當熱電偶中間部位有超過(guò)800％的溫度分布存在時(shí)，因其絕緣電阻下降，熱電偶示值出現異常的現象，稱(chēng)為分流誤差。依據均質(zhì)回路定則，用熱電偶測溫只與測量端與參考端兩端溫度有關(guān)，與中間溫度分布無(wú)關(guān)?？墒怯捎阪z裝熱電偶的絕緣物是粉末狀MgO，溫度每升高100℃，其絕緣電阻下降一個(gè)數量級，當中間部位溫度較高時(shí)，必定有漏電流產(chǎn)生，致使在熱電偶輸出電勢中有分流誤差出現。(2) 分流誤差生的條件將鎧裝熱電偶水平插入爐內(如圖1所示)，其規格及試驗條件為：Φ48mm，長(cháng)度為25mm，中問(wèn)部位加熱帶的長(cháng)度為20m，溫度為1000℃。本次試驗中，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，則產(chǎn)生負誤差；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1O0℃。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)(見(jiàn)表3)。

圖1 典型的分流誤差舉例（試驗值）

表3 鎧裝熱電偶產(chǎn)生分流誤差的條件

3．分流誤差的影響因素及對策

    高溫下鎧裝熱電偶產(chǎn)生分流誤差的現象，正在引起人們的重視，因此有必要了解分流誤差的影響因素，并采取適當對策以減少或消除分流誤差的影響。

(1) 鎧裝熱電偶直徑對于長(cháng)度為9m的K型鎧裝熱電偶(MgO絕緣)，只將熱電偶中間部位加熱。試驗結果表明：分流誤差的大小與其直徑的平方根成反比(直徑過(guò)細，不遵守此規律)，即直徑越細，分流誤差越大。

    當中間部位溫度高于800℃時(shí)，對于Φ3.2mm鎧裝熱電偶將產(chǎn)生分流誤差，但對于Φ6.4mm及Φ8mm鎧裝熱電偶，當中間部位的溫度為900℃時(shí)，仍未發(fā)現分流誤差。對于Φ6.4mm(熱電極絲為Φ1.4mm)與Φ8mm(熱電極絲為Φ2.Omm)的鎧裝熱電偶，當中間部位溫度為11OO℃時(shí)，Φ8mm的鎧裝熱電偶產(chǎn)生的分流誤差僅為Φ6.4mm的一半。此數值(50％)近似于兩種鎧裝熱電偶電極絲直徑的平方比(1.42/2.O2)，而電極絲直徑平方比，即為電極絲的電阻比。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溫度超過(guò)800℃，有可能產(chǎn)生分流誤差，其大小將隨溫度的升高。呈指數關(guān)系增大。因此，除測量端外，其他部位應盡可能避免超過(guò)800℃。

(3) 中間部位加熱帶長(cháng)度及位置當中間部位加熱帶溫度高于800℃時(shí)，其加熱帶的長(cháng)度越長(cháng)，距離測量端越遠，分流誤差也越大。因此，應盡可能縮短加熱帶長(cháng)度，并且，不要在遠離測量端處加熱，以減少分流誤差。

(4) 熱電偶絲的電阻當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，其分流誤差減小40℃。因此，可采用S型熱電偶測量爐內溫度場(chǎng)分布，費用雖高，但較準確。

(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(chǎn)生分流誤差。當絕緣電阻增加1O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，應盡可能采用直徑粗的鎧裝熱電偶，增加絕緣層厚度。如果上述措施無(wú)效時(shí)，只好采用裝配式熱電偶。

4．短程有序結構變化(K狀態(tài))的影響

    K型熱電偶在250～600℃范圍內使用時(shí)。由于其*微結構發(fā)生變化，形成短程有序結構，因此將影響熱電勢值而產(chǎn)牛誤差，這就是所謂的K狀態(tài)。它是Ni-Cr臺金特有的晶格變化，當ωCr在5%～30%范圍內存在著(zhù)原于晶格從有序→無(wú)序的轉變。由此引起的誤差，因Cr含量及溫度的不同而變化。該現象如圖2所示。圖2中數據是通過(guò)如下試驗獲得：將K型熱電偶從300℃加熱至800℃，每50℃取一點(diǎn)，測量該點(diǎn)電勢。由圖2可以看出在450℃時(shí)偏差*大可達4℃，在350～600℃范圍內，均為正偏差。發(fā)生上述異?，F象的熱電偶，在800℃以上經(jīng)短時(shí)間熱處理，其熱電特性即可恢復。由于K狀態(tài)的存在，使K型熱電偶在升溫或降溫檢定結果不一致，故在廉金屬熱電偶榆檢定規程中明文規定檢定順序：由低溫向高溫逐點(diǎn)升溫檢定。而且在400℃檢定點(diǎn)，不僅傳熱效果不佳，難以達到熱平衡，而且，衛恰好處于K狀態(tài)誤差*大范圍。因此，塒該點(diǎn)判定弁格與否時(shí)應很慎重。

圖2 K型熱電偶短程有序結構變化影響的試驗結果

    Ni-Cr合金短程有序結構變化現象，不僅存在于K型，而且，在E型熱電偶正極中也有此現象。但是，作為變化量E型熱電偶僅為K型的2/3?？傊?，K狀態(tài)與溫度、時(shí)間有關(guān)，當溫度分布或熱電偶位置變化時(shí)，其偏差也會(huì )發(fā)生很大變化。故難以對偏差大小作出準確評價(jià)。

5.使用氣氛的影響

(1) 選擇性氧化對于含Fe的Ni-Cr合金。如果氧分壓低于特定值，那么同O2親和力大的Cr，將發(fā)生選擇性氧化，這是Ni-Cr合金特有的晶界氧化。如用顯微鏡觀(guān)察外表面氧化層，就可以看到綠色析出物，這種現象通常稱(chēng)為“綠蝕”。尤其是當溫度在800℃～1050℃范圍內，體系內又含有CO、H2等還原性氣體時(shí)，K型熱電偶的正極，更容易發(fā)生選擇性氧化。這種因Cr含量降低而引起的熱電勢偏低，已成為K型熱電偶在熱處理行業(yè)長(cháng)期使用的限制因素。

    如果采用的氣體很純，并且系統中不含氧?？梢匝娱L(cháng)熱電偶使用壽命?？墒?，如果熱電偶絲表面有氧化層時(shí)，仍可為Cr的選擇性氧化提供足夠的氧。因此，在非氧化性氣氛中使用時(shí)，應采用干凈、拋光的偶絲。同時(shí)，應盡可能避免在帶有微量氧的惰性氣體或氧分壓很低的空氣中使用。當保護管長(cháng)徑比較大時(shí)(即保護管很細)，由于空氣循環(huán)**，形成缺氧狀態(tài)，其殘留的少量氧仍可為Cr的選擇性氧化提供條件。

(2) 選擇性氧化的判斷K型熱電偶發(fā)生選擇性氧化，可通過(guò)如下現象判斷：①正常的K型熱電偶絲，應為銀灰色，并帶有金屬光澤，如發(fā)生選擇性氧化，則在偶絲表面或表層下，將有綠色脆性鱗狀物生成。②如將偶絲彎曲，選擇性氧化部分將因其脆化使偶絲表面有裂紋產(chǎn)生。③K型偶正極通常不親磁，但氧化后帶有磁性。④在較短時(shí)間內熱電動(dòng)勢將產(chǎn)生較大的負偏差。

(3) 選擇性氧化的對策為了防止或減緩K型熱電偶因選擇性氧化而引起劣化，除了在材質(zhì)方面加以改善外，還應在熱電偶結構上采取相應對策：

①選擇對氧親和力較Cr更強的金屬作為吸氣劑，封入保護管內，防止Cr發(fā)生選擇性氧化，也可以采用增加保護管直徑或吹氣的方法增加氧含量。

②裝配式熱電偶實(shí)體化作者。開(kāi)發(fā)的**產(chǎn)品——實(shí)體型滲碳爐用熱電偶，即開(kāi)發(fā)出具有密封結構的裝配式熱電偶，可防止Cr發(fā)生選擇性氧化．經(jīng)乩軸集團、一汽、二汽、易普森工業(yè)爐、沈重、對同一種傳感器，如K型熱電偶的**使用溫度也因直徑不同而變化，直徑相同的K型熱電偶也因結構的不同，其穩定性也有很大差異。在選擇熱電偶時(shí)，必須針對使用條件考慮以下幾點(diǎn)：①常用溫度及**使用溫度；②氧化還原等使用氣氛；③抗振動(dòng)性能。

    對于裝配式熱電偶結構而言，氣氛的影響，首先取決于保護管材質(zhì)及熱電偶結構，因此，熟悉、掌握各種保護管材料的物理、化學(xué)性能是很必要的。例如：在粉末冶金行業(yè)中，常用鉬管作為熱電偶保護管。在1600℃的H2氣氛下，使用效果較好。然而，鉬管在氧化性氣氛下，很短時(shí)問(wèn)就因氧化而蝕損。其次，應根據使用氣氛，選擇合適的熱電偶，在1300℃以上的氧化性氣氛中，選擇鉑銠熱電偶，在還原性、真空條件下采用鎢錸熱電偶較好。對于K型熱電偶，適于在空氣、02等氣氛中工作，但在H2中使用時(shí)，其表面被H2還原，短時(shí)間無(wú)影響，如果長(cháng)時(shí)間暴露在H2中，在加速還原的同時(shí)，將使偶絲發(fā)生晶粒長(cháng)大而斷線(xiàn)；在CO或煤氣等還原性氣氛中，其劣化將顯著(zhù)加快而超差。對于鎧裝熱電偶，氫的原子半徑很小，容易透過(guò)外套進(jìn)入其內部，同樣也將加速劣化，致使熱電勢值大幅度降低。

(5) 絕緣電阻的影響熱電偶用絕緣物，在高溫下，其絕緣電阻隨溫度升高而急驟降低，因此，將有漏電流產(chǎn)生，該電流通過(guò)絕緣電阻已經(jīng)下降的絕緣物流入儀表，使儀表指示不穩或產(chǎn)生測量誤差，也可能發(fā)生記錄儀亂打的現象。

三、熱電偶劣化與使用壽命

1.熱電偶的劣化

    凡從事溫度檢測的工程技術(shù)人員皆關(guān)心熱電偶使用壽命，這是很自然的，否則，心中無(wú)數將十分被動(dòng)。熱電偶的使用壽命與其劣化有關(guān)，所謂熱電偶的劣化，即熱電偶經(jīng)使用后，出現老化變質(zhì)的現象。由金屬或合金構成的熱電偶，在高溫下其內部晶粒要逐漸長(cháng)大。同時(shí)合金中含有少量雜質(zhì)，其位置或形狀也將發(fā)生變化，而且，對周?chē)h(huán)境中的還原或氧化性氣體也要發(fā)生反應，伴隨上述變化，熱電偶的熱電動(dòng)勢也將極其敏感地發(fā)生變化。聞此熱電偶的劣化現象是不避免的。

2.熱電偶的使用壽命

    熱電偶的劣化是個(gè)量變過(guò)程，對其定量很困難，它將隨熱電偶的種類(lèi)、直徑、使用溫度、氣氛和時(shí)間的不同而變化。熱電偶的使用壽命是指熱電偶劣化發(fā)展到超過(guò)允許誤差，甚至斷線(xiàn)不能使用的時(shí)間。

(1)裝配式熱電偶的壽命我國標準中僅對熱電偶的穩定性有要求。即規定在某一溫度下經(jīng)

    200h使用前后熱電動(dòng)勢的變化范圍。但是，尚未發(fā)現對使用壽命有規定。日本有關(guān)熱電偶使用壽命的要求，足依據日本JIS(C-1602-1995)標準中規定的熱電偶連續使用時(shí)間。對B、R、S型熱電偶而言為2000h，K、E、J、T型熱電偶為10000h。

    在實(shí)際使用時(shí)、裝配式熱電偶通常有保護管，只自在特殊情況下才裸絲使用。因此，在多數場(chǎng)合下，保護管的壽命決定了熱電偶壽命。對熱電偶的實(shí)際使川壽命的判斷，必須是通過(guò)長(cháng)期收集、積累實(shí)際使用狀態(tài)下的數據，才有可能給出較準確的結果。

(2)鎧裝熱電偶的壽命由于鎧裝熱電偶有套管保護與外界環(huán)境隔絕，因此管材質(zhì)對鎧裝熱電偶的壽命影響很大，必須根據用途選擇熱電偶絲及金屬套管。當材質(zhì)選定后，其壽命又隨著(zhù)鎧裝熱電偶直徑的增大而增加。鎧裝熱電偶同裝配式熱電偶相比，雖有許多優(yōu)點(diǎn)，但也容易發(fā)生劣化。

四、結語(yǔ)