耐火極限試驗中試件表面測溫熱電偶溫度問題

摘要：針對耐火極限試驗過程中背火面測溫熱電偶出現溫度跳躍、偏離等問題，分析可能原因。嘗試提出改善以上問題的方法。
1熱電偶的工作原理
      熱電偶是利用塞貝克熱電效應制成的。兩種不同材料的導體組成閉合回路,回路的兩端分別稱作熱端(工作端)和冷端(自由端)。當這兩端溫度不同時，整個回路中就會產生電動勢,此電動勢至于熱電極的材料和兩端的溫度有關,與熱電偶的形狀和幾何尺寸無關。回路中總電動勢的方向與熱電偶兩端溫度有關。倘若熱電偶的兩極材料相同，則兩點處接觸電勢為零,而兩熱電極溫差電勢大小相等，方向相反,因此回路總熱電勢等于零。如果熱電偶兩端溫度相同,則兩熱電極的溫差電勢等于零,而兩接點處的接觸電勢大小相等,方向相反,回路中總熱電勢也等于零。因此，只有當熱電偶兩接觸點溫度不同時才有熱電勢產生。用測量儀表測得熱電勢的數值后,便可間接知道相應的溫度或者直接由測量儀表指示出溫度凹，如圖1所示。

2耐火極限試驗中熱電偶測溫問題
      本文耐火極限試驗中使用的試件背火面測溫熱電偶為鎳鉻-鎳硅K型熱電偶。為了得到良好的熱接觸,在熱電偶工作端低溫焊接直徑12mm、厚0.2mm的圓形銅片(圖2)。試驗過程中用長寬均為30mm、厚度2mm的石棉襯墊通過耐熱膠將熱電偶工作端銅片固定在試件表面(圖3)控制系統默認每隔一分鐘采集一-次溫度信息,繪制溫度-時間曲線。但在實際試驗過程中偶爾會遇到測溫熱電偶溫度高低跳躍、溫度偏離實際,誤差過大等問題。以上問題嚴重影響試驗進程以及最終對試驗試件的品質判定。就本次試驗來說，采用垂直構件耐火試驗爐,安裝樣品到試驗框架上往往需要耗費大量時間。由于熱電偶的溫度問題導致試驗中止,則需要拆毀原有樣品重新安裝完好的新樣品。不僅會浪費人力物力,而且也會延長試驗周期給客戶帶來不必要的煩惱。

3 耐火極限試驗中熱電偶溫度跳躍、偏離問題分析
1) 熱電偶貼點過程不嚴謹
      貼點時用隔熱墊固定熱電偶在試件表面需要涂抹耐高溫膠,并且在圓銅片和試件之間及圓銅片與隔熱墊之間不應有任何膠,允許存在十分細小的空隙。然而實際人工操作過程中很難避免操作誤差導致銅片粘膠、隔熱墊固定不.嚴銅片與試件存在間隙、銅片與試件接觸面有污物等。
2)熱電偶布置位置不正確
      熱電偶的布置應距離熱氣流、結合點和貫通連接緊固件(如螺釘、銷釘等)、以及會被穿過試件的熱煙氣直接沖擊的位置不應小于50mm。熱電偶不應貼在會產生較高溫度類似螺釘.釘子或夾子等緊固件上。不應貼在表面直徑小于12mm非貫通緊固件上。當不注意以上要求時,都會產生溫度偏離的現象。
3)熱電偶與巡檢儀接觸不良
      之前在試驗中遇到新替換的熱電偶開始時比較正確，使用十多次后開始出現溫度偏離。連續更換三家熱電偶供應商，溫度偏離問題一直沒有解決。利用排除法,選擇更換巡檢儀接口、清理接口塵土。最終問題得到了解決,因此推斷此次問題誘因是熱電偶與巡檢儀接口處受塵土等污染產生的干擾。
4)熱電偶的劣化
      熱電偶在使用中由于受到環境、腐蝕性氣體等因素的影響，常常會出現老化的現象，也就是常說的熱電偶的劣化。熱電偶的劣化是長期量變過程,將隨熱電偶的種類、直徑、使用溫度、環境、時間的不同而變化。劣化將會改變熱電偶的熱電特性或超出允許誤差、脆斷凹。
5)測量回路接地,串人附加地電勢
      試件安裝過程中，安裝人員為了固定試件會使用槽鋼、鋼筋等焊接在框架上。這樣就無形中串人了附加地電勢。在熱電偶回路中存在著四個電勢,即兩個接觸電動勢和兩個溫差電動勢。熱電偶回路的總電動勢為:

      在熱電偶回路（圖4）中同種材料溫差電動勢只占極小部分，且它們正負抵消一部分，因此可以忽略不計，故式（1）可以簡化成式（2）：

      式(2)表明,熱電偶產生的熱電動勢只隨熱端(工作端)溫度的變化而變化,即一定的熱電動勢對應著- -定的溫度。我們通過測量熱電動勢的方法就達到了測溫的目的。當回路接地、串人附加地電勢以后,測eaB(t)可能等于零或者小于ea(t),這樣EAa(to)將出現負數,并且極不穩定凹。
4耐火極限試驗中熱電偶溫度跳躍、偏離問題解決
1)嚴格按照標準要求貼點
      貼點前認真清理銅片以及試件上接觸位置的污物。若使用耐高溫膠和石棉襯墊輔助固定熱電偶時,操作過程中盡量避免耐高溫膠污染接觸點。隔熱襯墊均勻涂膠將銅片固定在試件上,盡量使銅片與試件貼合。.
2)遠離干擾因素布置熱電偶
與安裝試件的施工人員充分溝通，了解試驗試件的結構。標注安裝中輕鋼龍骨、螺釘、銷釘具體位置。除以上關鍵點外還要避免在試樣接縫處或可能的煙氣沖擊處貼點。
3)定期維護熱電偶和巡檢儀
由于本實驗室巡檢儀和熱電偶的接口留在了爐體旁，場地限制導致施工安裝活動在室內進行。雖然對巡檢儀做了設備箱進行封裝,但難免施工過程中會有塵土進人到箱體里。因此建議在設備設計之初對巡檢儀等設備位置進行統一規劃,盡量遠離污染源和千擾源。條件允許的話對熱電偶與巡檢儀接口處進行密封處理,盡量降低環境污染對熱電偶的干擾。
4)延緩熱電偶的劣化
熱電偶的劣化現象是不可避免的,因此只能延緩劣化進程。為了可靠地測量溫度,必須選擇引起劣化最小的使用條件和適宜的熱電偶材質,并能推斷劣化進展的情況,及時地更換熱電偶。
5)避免接地等現象
接地現象主要是出現在試件安裝施工過程中，因此作為試驗人員應該時刻關注并了解安裝人員的具體施工內容、試件結構。如安裝過程中出現可能對測量結果產生干擾的結構，應及時與廠家或者施工人員進行溝通排除干擾現象。
5 結語
      本文只是針對耐火極限試驗過程中熱電偶測溫偏離，溫度跳躍問題的原因進行了分析。通過對可能出現問題的分析和處理，盡可能使試驗過程更加穩定，實驗數據更加嚴謹。有助于提升試驗質量和效率，并有助于降低運行成本。