鎧裝熱電偶使用壽命與其影響因素

摘要:針對鎧裝熱電偶在使用過程中出現的故障,對熱電偶絕緣阻值及性能進行分析，并在高溫油污等嚴酷環境下進行試驗研究。電偶測量端的焊接質量和絕緣電阻大小是影響鎧裝熱電偶測溫精度和使用壽命的主要因素。指出:為保證熱電偶的測溫精度和使用壽命,在采購和使用前,應對絕緣電阻有嚴格的檢驗要求。
0引言
　　隨著科學技術的飛速發展，熱電偶以其測量精度高、結構簡單、動態響應快、測量范圍廣、可遠距離傳輸等優點，廣泛運用于工業生產和科研活動中。熱電偶主要用來檢測和控制溫度，但鎧裝熱電偶的使用直徑、種類、使用溫度、中間部位加熱帶長度、絕緣物種類及狀態等方面的差異，導致其用于工業生產時無法精確測溫，使用壽命短，產品報廢率高。由于對熱電偶故障缺乏相關分析工具，導致故障原因無法定位。國內試驗研究表明:高溫下氧化物的電阻率隨溫度的升高呈指數降低，當絕緣電阻增加10倍或減少至1/10時，其分流誤差也隨之減少至1/10或增大10倍["]。目前大部分研究針對對測量精度的影響，而對使用壽命的影響很少涉及。結合某斯特林發動機缸內測溫時出現的故障，對鎧裝熱電偶故障進行機理分析和試驗研究，為提高熱電偶使用壽命及故障處理提供依據。
1熱電偶工作原理
　　兩種不同成分的導體(稱為熱電偶絲材或熱電極)兩端接合成回路，當接合點的溫度不同時，就會在回路中產生電動勢，或稱為塞貝克電勢。這種現象稱為熱電效應，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的，其中，直接用作測量介質溫度的一端叫做工作端(也稱為測量端)，另一端叫做冷端(也稱為補償端);冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示所產生的熱電勢。熱電偶工作原理見圖1。
 
　　塞貝克電勢其實是接觸電動勢和溫差電動勢作用的結果，回路中的總電動勢EAB(T,T0)為:
EAB(T,T0)=EAB(T)-EA(T,T0)+EB(T,T0)-EAB(T0)(1)
　　式中:EAB(T)、EAB(T)為溫度分別為T、T0時，A、B之間的接觸電動勢;EA、(T,T0)、EB(T,T0)為A、B電極在兩端溫度分別為T、T0時各自產生的溫差電動勢。
2熱電偶使用壽命影響因素分析
　　根據熱電偶測溫原理，熱電偶的熱電勢只與兩接點溫度有關。但實際情況比較復雜，可能與使用的熱電偶直徑、種類、使用溫度、測量端接點、絕緣電阻等因素有關。但當熱電偶型號確定后,其直徑、種類、使用溫度便已確定。現結合某斯特林發動機缸內測溫故障，具體探討影響熱電偶使用壽命的主要因素。
2.1使用實例
　　某斯特林發動機通過調節燃油(柴油)噴射量，實現功率的無級調節，而缸內溫度的變化直接關系到燃燒效率。缸內溫度的變化值在發動機功率閉環控制環節中作為前饋值，影響功率的精確控制輸出。為實時檢測各缸溫度變化，獲得最短的響應時間，選用一種耐高溫，響應快的鎧裝熱電偶，直接插人缸內進行溫度測量。由于使用環境惡劣，熱電偶選用K型NiCr-Ni耐高溫鎧裝熱電偶，具體參數見表1。但該熱電偶在使用過程中，不斷發生故障，故障現象為端部燒毀,呈斷路狀態;且使用壽命很短，平均僅十幾個小時。
2.2測量端接點的影響
　　熱電偶測量端的構成方式有焊接、鉚接、壓接和插人等方式，如圖2。
 
　　在實際操作中，由于熱電偶兩個熱電極經焊接，可能成另一種合金，導致測量端溫度不一致,從而帶來誤差。因此，理論上當兩個電極采用焊接、鉚接或壓緊在導體表面上時，兩電極應盡量靠近，接點盡量小時，t≈t',在溫度測量時，該誤差可以忽略不計，對一般測量精度無影響。
　　但通過對不同使用壽命的熱電偶解剖對比發現:壽命長的熱電偶其測量端如圖3(a)所示，圓潤飽滿，焊接可靠。壽命短的熱電偶其測量端如圖3(b~d)所示，其測量端接點存在明顯的焊接缺陷:有焊縫、塌陷。
 
　　在熱電偶制造過程中，熱電偶的測量端通常采用第三種導體將兩個偶絲焊接在一-起，當焊點出現焊接缺陷時，熱電偶偶絲導熱，將引起其被測表面溫度場發生變化，造成測量端溫度不一致，產生測量誤差。如果長時間在高溫油污環境下工作，熱電偶會粘連油污;當缸內燃燒不均勻時，火焰會導致熱電偶表面出現溫差，局部高溫;對于有焊接缺陷的測量端，經長時間工作，其焊接點會出現開裂,焊點融毀，直至斷裂，如圖4所示。最終影響熱電偶測溫可靠性及使用壽命。
 
2.3絕緣阻值的影響
2.3.1理論分析
　　鎧裝熱電偶套管內的絕緣材料主要為氧化鎂,但因其吸濕性大，端面祖露在外短時間內絕緣電阻可降低到kΩ以下。正常情況下，絕緣電阻與熱電勢之間的關系如式(2),熱電偶測量等效圖如圖5。
 
R=r2r3/(r2+r3),E0=R/(r1+R)·EA(2)
　　式中:EA為熱電偶的熱電勢;r1為偶絲和補償導線的電阻;r2為絕緣電阻;r3為檢測儀器內阻;E0為熱電偶輸出電勢差。
　　理論上，當r2極大時，絕緣電阻R就等于r2;而當r1很小時，R/(r1+R)近似為1。由于檢測儀器內阻r3比較大，約為10~100MΩ,所以該因素可以忽略，E0=EA。
　　依據均質回路定則，熱電偶測溫只與測量端與參考端兩端溫度有關，與中間溫度分布無關。可是由于鎧裝熱電偶的絕緣物是粉末狀Mg0，溫度每升高100℃，其絕緣電阻下降一個數量級，當中間部位溫度較高時，必定有漏電流產生，致使在熱電偶輸出電勢中有分流誤差出現，由此會引起較大的測量誤差。當熱電偶在高溫環境中持續工作時，絕緣物中殘留的濕氣受熱會劇烈膨脹,導致熱電偶測量端出現氣泡、破裂，最終在高溫火焰中燒損。
2.3.2試驗研究
　　為研究絕緣電阻與熱電偶壽命的關系，在200只熱電偶中隨機抽取50只熱電偶樣本進行試驗研究。經初步測量和檢驗后，在發動機缸內進行一系列耐溫和壽命摸底試驗。圖6為熱電偶冷態絕緣電阻與其使用壽命的關系。由圖可知:熱電偶絕緣性能的好壞直接影響其使用壽命，當冷態絕緣電阻低于50MΩ時，使用壽命急劇縮短，冷態絕緣電阻越大，使用壽命越長。
 
　　結合熱電偶理論分析和壽命試驗認為:為保證熱電偶的測量精度和使用壽命，在采購和檢驗時,對絕緣電阻應有嚴格明確的要求，具體如下:
(1)根據使用經驗，鎧裝K型熱電偶冷態絕緣電阻要求為:室溫時，傳感器與外殼間絕緣電阻應不小于100MΩ,測量電壓為500±50VDC;
(2)當絕緣電阻低于5MΩ,為了減少分流誤差，延長使用壽命，應盡可能采用直徑粗的鎧裝熱電偶，增加絕緣層厚度。
3結論
(1)熱電偶測量端的焊接質量和絕緣電阻的大小，是影響鎧裝熱電偶測溫精度和使用壽命的主要因素;
(2)冷態絕緣電阻測量是判斷熱電偶品質好壞的最直接、簡便和有效的手段之-;
(3)為保證熱電偶測量精度和使用壽命，在采購和使用前，對絕緣電阻應有嚴格的檢驗要求。