热电偶超上限温度测试的研究

　　1　引言

　　在工业生产和质量控制中存在着大量的温度测量问题。其中,有相当大的比例是采用热电偶来测温。在工业生产中,高温测量仅限于采用热电偶或辐射式高温计。采用辐射式高温计(不接触测温法)的主要困难是被测物体辐射率的自动校准问题。人们为寻求自动校准辐射率的方法已进行了大量的研究,但至今尚无一种公认的妥善的方法。就目前的实际情况来看,测量高温的主要手段仍是采用热电偶。热电偶用于高温测量的困难,一是要求热电极材料不但能承受所感测的温度,而且还能在高温下具有良好的理化性能;二是要求高温耐火材料不但能在所承受的高温下保持足够的机械强度,而且还特别要求保持良好的电绝缘性能。这些因素限制了热电偶的测温上限。如铜-康铜热电偶的使用上限为400℃;铁-康铜热电偶的测温上限一般为760℃;镍铬-镍硅热电偶最高使用温度不能超过1 300℃。为了探求用普通热电偶测量更高温度,引用了动态测温法。动态法就是探头在温度变化的过程中测量温度。该方法不仅响应快,而且可测量远高于热电偶材料所允许的高温。

　　2　测试原理

　　裸露热电偶可视为一阶系统,其动态特性可用一阶微分方程表示。若把热电极装入保护套管,响应时间就增大(时间常数τ变大),因此用二阶微分方程表示更合适一些。然而文献[2,3]说明了在此情况下一般用一阶微分方程表示系统即已足够。

　　当只有对流换热或以对流换热为主时,系统可用牛顿冷却方程与布拉克热容方程表示

式中:m—热电偶热端的质量,m=ρv,ρ为密度,v为体积;c—热电偶比热;Kc—气流向热端的对流给热系数;A—参与热交换的热电偶面积。

　　动态测温是根据热电偶阶跃响应的特性设计的。设热电偶热端的起始温度为T0,置于温度为Tg的气流中,气体以对流方式将热量传给热端,热端温度Tz将逐渐上升。将式(1)移项得

　　显然,若热电偶的时间常数τ已知,则根据式(2)可由热端瞬时温度Tz推算出被测气流的真实温度Tg,如图1所示。这样就能用便宜、普通的一般热电偶去测量比热电偶本身材料熔点温度高得多的温度,而不会烧坏热电偶。

　　3　测试装置和结果

　　3·1　时间常数τ的测定

　　热电偶的时间常数是指被测介质从某一温度跃变到另一温度时,热电偶测量端温度上升到整个阶跃的63·2%所需的时间,通常用τ表示。时间常数小,则响应速度快。时间常数τ主要取决于传感器本身的材质与结构特点,并与被测介质的流动状态和传热方式有关。