气化炉高温热电偶常见故障分析

摘要:汽化炉热电偶是科研、生产最常用的温度传感器，针对使用中容易出现的问题，详细探讨了测温点的选择，热电偶的插入深度、响应时间、热辐射及热阻抗等产生误差的主要原因，并指出热电偶不均质、使用气氛、绝缘电阻，K型热电偶选择性氧化、K状态及铠装热电偶分流误差等使用中的注意事项。对提高测量精度，延长热电偶使用寿命有一定帮助。
　　气化炉测温使用的热偶主要有:用于测量炉膛温度的B型高温热偶:烘炉使用的K型升温热偶以及测量表面温度的K型表面热偶。为提高测量精度，减少测量误差，延长热电偶使用寿命，要求使用者不仅应具备仪表操作技能，还应具有物理、化学及材料等多方面知识。参阅有关资料后，在这里较详细地介绍热电偶的测量误差及其注意事项。
1测量误差的主要影响因素
1.1插入深度的影响
　　测温点的选择:对于工程测温，其插入深度还与测量对象是静止或流动等状态有关，如流动的液体或高速气流温度的测量，将不受上述限制，插入可浅一-些，具体数值应由实验确定。
1.2响应时间的影响
　　接触法测温的基本原理是测温元件要与被测对象达到热平衡。因此，在测温时需保持一定时间，才能使两者达到热平衡。而保持时间的长短，同测温元件的热响应时间有关。而热响应时间主要取决于传感器结构及测量条件，差别极大。
1.3热辐射的影响
　　插入炉内用于测温的热电偶，将被高温物体发出的热辐射加热。假定炉内气体是透明的，而且，热电偶与炉壁的温差较大时，将因能量交换而产生测温误差。
1.4热阻抗增加的影响
　　在高温下使用的热电偶，如果被测介质为气态，那么保护管表面沉积的灰尘等将烧熔在表面上，使保护管的热阻抗增大:如果被测介质是熔体，在使用过程中将有炉渣沉积，不仅增加了热电偶的响应时间，而且还使指示温度偏低。
2热电偶测温应注意的事项
2.1热电偶丝不均质影响
　　热电偶材质本身不均质，由不均质即寄生电动势引起的误差，取决于热电偶丝自身的不均质程度及温度梯度的大小，对其定量极其困难。
2.2铠装热电偶的分流误差
　　所谓分流误差即用铠装热电偶测量炉温时，当热电偶中间部位有超过800℃的温度分布存在时，因其绝缘电阻下降，热电偶示值出现异常现象。依据均质回路定则，用热电偶测温贝与测量端与参考端两端温度有关，与中间温度分布无关。
2.3分流误差的影响因素及对策
　　高温下铠装热电偶产生分流误差的现象，有必要了解分流误差的影响因素，并采取适当对策以减少或消除分流误差的影响。(1)铠装热电偶直径:实验结果表明:分流误差的大小与其直径的平方根成反比(直径过细,不遵守此规律),即直径越细，分流误差越大。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:应尽可能缩短加热带长度，且不要在远离测量端处加热，以减少分流误差。(3)热电偶丝的电阻: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。(4)绝缘电阻:高温下氧化物电阻率将随温度升高呈指数降低，分流误差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。
2.4短程有序结构变化(K状态)的影响
　　K型热电偶在250~600℃温度范围内使用时，由于其显微结构发生变化，形成短程有序结构，K状态与温度、时间有关，当温度分布或热电偶位置变化时，其偏差也会发生很大变化，故难以对偏差大小作出正确评价。
2.5使用气氛的影响
(1) 选择性氧化:对于含Fe的Ni-Cr合金，如氧分压低于特定值，则同02亲和力大的Cr将发生选择性氧化，这是Ni-Cr合金特有的晶界氧化。同时，应尽可能避免在带有微量氧的惰性气体或氧分压很低的空气中使用。当保护管长度与直径较大时(即保护管很细)，由于空气循环不良，形成缺氧状态，其残余的少量氧仍可为Cr的选择性氧化提供条件。
(2) 选择性氧化的对策:为防止或减缓K型热电偶因选择性氧化而引起劣化，除在材质方面加以改善外，还应在热电偶结构上采取相应对策:
(a)选择对氧亲和力较Cr更强的金属作为吸气剂，封入保护管内，防止Cr发生选择性氧化，也可采用增加保护管直径或吹气的方法增加氧含量。
(b)装配式热电偶实体化。
(3) 使用气氛的影响:热电偶的稳定性，因使用温度、气氛不同，对同一种传感器，如K型热电偶的最高使用温度也因直径不同而变化，直径相同的K型热电偶也因结构的不同，其稳定性也有很大差异。
(4)绝缘电阻的影响:热电偶用绝缘物，在高温下，其绝缘电阻随温度升高而急骤降低，因此，将有漏电流产生，该电流通过绝缘电阻已经下降的绝缘物流入仪表，使仪表指示不稳或产生测量误差，也可能发生记录仪乱打点的现象。
3热电偶劣化与使用寿命
3.1热电偶的劣化
　　热电偶的使用寿命与其劣化有关，所谓热电偶的劣化，即热电偶经使用后，出现老化变质的现象。由金属或合金构成的热电偶，在高温下其内部晶粒要逐渐长大。同时合金中含有少量杂质，其位置或形状也将发生变化，而且，对周围环境中的还原或氧化性气体也要发生反应。伴随上述变化，热电偶的热电动势也将极其敏感地发生变化。因此热电偶的劣化现象是不可避免的。
3.2热电偶的使用寿命
　　热电偶的劣化是一个量变过程，对其定量很困难，将随热电偶的种类、直径、使用温度、气氛、时间的不同而变化。热电偶的使用寿命是指热电偶劣化发展到超过允许误差，甚至断线不能使用的时间。
(1)装配式热电偶的寿命:我国标准中仅对热电偶的稳定性有要求。即规定在某一温度下经200h，使用前后热电动势的变化。但是，尚未发现对使用寿命有规定。在多数场合下，保护管的寿命决定了热电偶寿命。对热电偶的实际使用寿命的判断，必须是通过长期收集、积累实际使用状态下的数据，才有可能给出较正确的结果。
(2)铠装热电偶的寿命:由于铠装热电偶有套管保护与外界环境隔绝，因此套管材质对铠装热电偶寿命影响很大，铠装热电偶同装配式热电偶相比，虽有许多优点，但使用寿命往往低于装配式热电偶。
4结语
　　热电偶是科研、生产最常用的温度传感器，虽然结构简单，但若使用中不注意仍然会产生较大测量误差。针对使用中容易出现的问题，详细探讨了测温点的选择，热电偶的插入深度、响应时间、热辐射及热阻抗等产生误差的主要原因，并指出热电偶不均质、使用气氛、绝缘电阻，K型热电偶选择性氧化、K状态及铠装热电偶分流误差等使用中的注意事项。对提高测量精度，延长热电偶使用寿命有一定帮助。