铠装热电偶的分流误差及漂移

　　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,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,在高温下绝缘物MgO的绝缘电阻降低,因此引发出分流误差等问题。以前,这一问题常常被忽视,影响测量精度与使用。目前,它正在引起人们的重视。

　　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10m,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,通常将这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,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]。本文将参照日本学术振兴会研究报告,结合自己的实践予以说明。

　　1.1　分流误差的产生条件

　　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:直径为4.8mm, 长度为25m,中间部位加热带的长度为20m,温度为1 000℃。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)。

　　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Δt的场合下(见图2),将产生热电动势ΔE:

　　ΔE=S·Δt(1)

　　式中:S为热电偶的热电动势率。

　　当热电偶的两端温度分别为t1,t2时(见图3),热电偶的热电动势为

　　假设K型铠装热电偶,沿偶丝长度方向有电位时(见图4),对于温度一定部位,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。在这种场合中,由于中间部位温度高,且有温差存在,热电偶偶丝之间必将产生电位差。

　　在高温下,当采用MgO绝缘时,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D1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 UD2的大小保持不变。因此,由绝缘电阻下降所引起的变化,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。以上定性地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[2]。