铠装热电偶使用寿命与其影响因素

摘要:针对铠装热电偶在使用过程中出现的故障,对热电偶绝缘阻值及性能进行分析，并在高温油污等严酷环境下进行试验研究。电偶测量端的焊接质量和绝缘电阻大小是影响铠装热电偶测温精度和使用寿命的主要因素。指出:为保证热电偶的测温精度和使用寿命,在采购和使用前,应对绝缘电阻有严格的检验要求。
0引言
　　随着科学技术的飞速发展，热电偶以其测量精度高、结构简单、动态响应快、测量范围广、可远距离传输等优点，广泛运用于工业生产和科研活动中。热电偶主要用来检测和控制温度，但铠装热电偶的使用直径、种类、使用温度、中间部位加热带长度、绝缘物种类及状态等方面的差异，导致其用于工业生产时无法精确测温，使用寿命短，产品报废率高。由于对热电偶故障缺乏相关分析工具，导致故障原因无法定位。国内试验研究表明:高温下氧化物的电阻率随温度的升高呈指数降低，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["]。目前大部分研究针对对测量精度的影响，而对使用寿命的影响很少涉及。结合某斯特林发动机缸内测温时出现的故障，对铠装热电偶故障进行机理分析和试验研究，为提高热电偶使用寿命及故障处理提供依据。
1热电偶工作原理
　　两种不同成分的导体(称为热电偶丝材或热电极)两端接合成回路，当接合点的温度不同时，就会在回路中产生电动势，或称为塞贝克电势。这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端(也称为测量端)，另一端叫做冷端(也称为补偿端);冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示所产生的热电势。热电偶工作原理见图1。
 
　　塞贝克电势其实是接触电动势和温差电动势作用的结果，回路中的总电动势EAB(T,T0)为:
EAB(T,T0)=EAB(T)-EA(T,T0)+EB(T,T0)-EAB(T0)(1)
　　式中:EAB(T)、EAB(T)为温度分别为T、T0时，A、B之间的接触电动势;EA、(T,T0)、EB(T,T0)为A、B电极在两端温度分别为T、T0时各自产生的温差电动势。
2热电偶使用寿命影响因素分析
　　根据热电偶测温原理，热电偶的热电势只与两接点温度有关。但实际情况比较复杂，可能与使用的热电偶直径、种类、使用温度、测量端接点、绝缘电阻等因素有关。但当热电偶型号确定后,其直径、种类、使用温度便已确定。现结合某斯特林发动机缸内测温故障，具体探讨影响热电偶使用寿命的主要因素。
2.1使用实例
　　某斯特林发动机通过调节燃油(柴油)喷射量，实现功率的无级调节，而缸内温度的变化直接关系到燃烧效率。缸内温度的变化值在发动机功率闭环控制环节中作为前馈值，影响功率的精确控制输出。为实时检测各缸温度变化，获得最短的响应时间，选用一种耐高温，响应快的铠装热电偶，直接插人缸内进行温度测量。由于使用环境恶劣，热电偶选用K型NiCr-Ni耐高温铠装热电偶，具体参数见表1。但该热电偶在使用过程中，不断发生故障，故障现象为端部烧毁,呈断路状态;且使用寿命很短，平均仅十几个小时。
2.2测量端接点的影响
　　热电偶测量端的构成方式有焊接、铆接、压接和插人等方式，如图2。
 
　　在实际操作中，由于热电偶两个热电极经焊接，可能成另一种合金，导致测量端温度不一致,从而带来误差。因此，理论上当两个电极采用焊接、铆接或压紧在导体表面上时，两电极应尽量靠近，接点尽量小时，t≈t',在温度测量时，该误差可以忽略不计，对一般测量精度无影响。
　　但通过对不同使用寿命的热电偶解剖对比发现:寿命长的热电偶其测量端如图3(a)所示，圆润饱满，焊接可靠。寿命短的热电偶其测量端如图3(b~d)所示，其测量端接点存在明显的焊接缺陷:有焊缝、塌陷。
 
　　在热电偶制造过程中，热电偶的测量端通常采用第三种导体将两个偶丝焊接在一-起，当焊点出现焊接缺陷时，热电偶偶丝导热，将引起其被测表面温度场发生变化，造成测量端温度不一致，产生测量误差。如果长时间在高温油污环境下工作，热电偶会粘连油污;当缸内燃烧不均匀时，火焰会导致热电偶表面出现温差，局部高温;对于有焊接缺陷的测量端，经长时间工作，其焊接点会出现开裂,焊点融毁，直至断裂，如图4所示。最终影响热电偶测温可靠性及使用寿命。
 
2.3绝缘阻值的影响
2.3.1理论分析
　　铠装热电偶套管内的绝缘材料主要为氧化镁,但因其吸湿性大，端面祖露在外短时间内绝缘电阻可降低到kΩ以下。正常情况下，绝缘电阻与热电势之间的关系如式(2),热电偶测量等效图如图5。
 
R=r2r3/(r2+r3),E0=R/(r1+R)·EA(2)
　　式中:EA为热电偶的热电势;r1为偶丝和补偿导线的电阻;r2为绝缘电阻;r3为检测仪器内阻;E0为热电偶输出电势差。
　　理论上，当r2极大时，绝缘电阻R就等于r2;而当r1很小时，R/(r1+R)近似为1。由于检测仪器内阻r3比较大，约为10~100MΩ,所以该因素可以忽略，E0=EA。
　　依据均质回路定则，热电偶测温只与测量端与参考端两端温度有关，与中间温度分布无关。可是由于铠装热电偶的绝缘物是粉末状Mg0，温度每升高100℃，其绝缘电阻下降一个数量级，当中间部位温度较高时，必定有漏电流产生，致使在热电偶输出电势中有分流误差出现，由此会引起较大的测量误差。当热电偶在高温环境中持续工作时，绝缘物中残留的湿气受热会剧烈膨胀,导致热电偶测量端出现气泡、破裂，最终在高温火焰中烧损。
2.3.2试验研究
　　为研究绝缘电阻与热电偶寿命的关系，在200只热电偶中随机抽取50只热电偶样本进行试验研究。经初步测量和检验后，在发动机缸内进行一系列耐温和寿命摸底试验。图6为热电偶冷态绝缘电阻与其使用寿命的关系。由图可知:热电偶绝缘性能的好坏直接影响其使用寿命，当冷态绝缘电阻低于50MΩ时，使用寿命急剧缩短，冷态绝缘电阻越大，使用寿命越长。
 
　　结合热电偶理论分析和寿命试验认为:为保证热电偶的测量精度和使用寿命，在采购和检验时,对绝缘电阻应有严格明确的要求，具体如下:
(1)根据使用经验，铠装K型热电偶冷态绝缘电阻要求为:室温时，传感器与外壳间绝缘电阻应不小于100MΩ,测量电压为500±50VDC;
(2)当绝缘电阻低于5MΩ,为了减少分流误差，延长使用寿命，应尽可能采用直径粗的铠装热电偶，增加绝缘层厚度。
3结论
(1)热电偶测量端的焊接质量和绝缘电阻的大小，是影响铠装热电偶测温精度和使用寿命的主要因素;
(2)冷态绝缘电阻测量是判断热电偶品质好坏的最直接、简便和有效的手段之-;
(3)为保证热电偶测量精度和使用寿命，在采购和使用前，对绝缘电阻应有严格的检验要求。