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。
1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。
 
1.2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φ4.8nm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)
 
2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:
 
　　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-定部位,其热电动势不变,但对有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D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VU。的大小保持不变。因此,由绝缘电阻下降所弓|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。
 
3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,对于中3.2nm铠装热电偶将产生分流误差。但对于中6.4mm及中8mm铠装热电偶,当中间部位的温度为900°C时,仍未发现分流误差。对于中6.4mm(热电偶丝直径为中1.4nm)与中8mm(热电偶丝直径为中2.Omm)的铠装热电偶,当中间部位温度为1100℃时,直径为中8mm的铠装热电偶,产生的分流误差仅为中6.4mm的一伴。此数值(50%)近似于两种铠装热电偶电极丝直径的平方比(1.43/20=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,采用直径为中10m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800C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i]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。
4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。