保護(hù)套管對熱電偶測溫影響

摘要:在熱電偶得到廣泛應(yīng)用的過程中,為滿足其測試穩(wěn)定性及使用壽命的要求,熱電偶保護(hù)套管得到了大量應(yīng)用，但這也不可避免地對熱電偶的測溫產(chǎn)生一定影響。本文選取一種典型的熱電偶保護(hù)套管，進(jìn)行對比試驗(yàn),分析其影響規(guī)律,并提出了保護(hù)套管的使用要求和規(guī)范。
0引言
       隨著科技的不斷進(jìn)步,工業(yè)自動化程度越來越高，溫度的測控已經(jīng)逐步涉及到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科研、醫(yī)療、環(huán)保、氣象以及宇航等各個領(lǐng)域。熱電偶因其性能穩(wěn)定、正確可靠、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測溫范圍廣、信號可遠(yuǎn)傳等優(yōu)點(diǎn)，使得它在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究等各領(lǐng)域中成為了應(yīng)用為廣泛的測溫元件，同時因測試環(huán)境、使用壽命等條件的限制與要求，熱電偶保護(hù)套管作為熱電偶測溫過程中的重要附件,也被越來越得到廣泛的采用,但加裝保護(hù)套管對熱電偶的測溫究竟會產(chǎn)生怎樣的影響?影響程度是否有一定的規(guī)律?找出其中的影響規(guī)律,將能夠給保護(hù)套管在熱電偶測溫過程中提出重要的指導(dǎo)作用。
1熱電偶保護(hù)套管簡介
1.1熱電偶保護(hù)套管的作用
       熱電偶保護(hù)管的用途主要有兩個:(1)防止熱電偶遭受機(jī)械損壞;(2)保護(hù)熱電偶免受被測介質(zhì)的腐蝕等有害影響。熱電偶的穩(wěn)定性、使用壽命等各項(xiàng)性能指標(biāo)，都與保護(hù)管密切相關(guān)。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計,排除那些因使用不當(dāng)造成的損壞，在正常的測量范圍內(nèi),保護(hù)管材料越優(yōu)異,其損壞率便越低。因此,在實(shí)際使用過程中選擇優(yōu)質(zhì)的保護(hù)管是延長熱電偶使用壽命的前提。
       理想的保護(hù)套管應(yīng)具有:耐高溫、耐腐蝕、氣密性好、導(dǎo)熱性好、有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和一定的耐溫劇變、物理和化學(xué)性能穩(wěn)定、價格低廉等性能。
1.2熱電偶保護(hù)套管的分類
       通常情況下，熱電偶保護(hù)管都為單保護(hù)管,某些特殊情況下，也可安裝兩個同心保護(hù)管。離熱電偶近的為主保護(hù)管,外圍的那個叫輔助保護(hù)管。主保護(hù)管通常采用氧化鋁為材料,輔助保護(hù)管采用碳化硅,主保護(hù)管跟輔助保護(hù)管套構(gòu)成組合保護(hù)管,以此獲得更佳的性能,如抗熱沖擊或者防機(jī)械損壞等。熱電偶保護(hù)管按材質(zhì)可以分為金屬保護(hù)管、非.金屬保護(hù)管、金屬陶瓷保護(hù)管三類。其中金屬保護(hù)管具有機(jī)械強(qiáng)度高、韌性好等優(yōu)勢,但由于金屬材料耐熱性能欠佳，且溫度過高易發(fā)生氧化，因此基本在1000℃以下使用。非金屬保護(hù)管多為石英管、瓷管、莫來石管及剛玉管,具有耐熱性且抗腐蝕等優(yōu)勢,但存在強(qiáng)度低、造價昂貴等缺點(diǎn)。金屬陶瓷保護(hù)管則結(jié)合了兩種材料的優(yōu)勢。
2熱電偶保護(hù)套管影響測試實(shí)驗(yàn)
       由于現(xiàn)在市場上保護(hù)套管的品類及材質(zhì)眾多，本次測試僅以在計量測試中較為常用的石英材質(zhì)套管為例進(jìn)行了測試。為了提高實(shí)驗(yàn)精度和穩(wěn)定性，本次測試選用兩支一等鉑銠。鉑熱電偶溫度計，其中一支作為標(biāo)準(zhǔn)件,另一支作為測試件,采用雙極比較法進(jìn)行測試。測試時，把爐溫升到預(yù)定的溫度點(diǎn)，保持一段時間,使熱電偶的測量端達(dá)到熱平衡后開始測量。
被測試熱電偶在各測試點(diǎn)上的熱電動勢E可用下式計算:
E_t被=`E<sub>t被</sub>+(E<sub>t標(biāo)</sub>`E_t被)(1)
其中:E被測試時被測試熱電偶測得的熱電動勢算術(shù)平均值;
E_t標(biāo)一標(biāo)準(zhǔn)熱電偶證書上給出的熱電動勢值;
E_t標(biāo)一測試時標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測得的熱電動勢算術(shù)平均值。
       為了增加可比性，所有的測試結(jié)果，最終都換算成被測試熱電偶在相應(yīng)溫度值處的溫差，其計算公式如下:

       式中:S(t)熱電偶的微分熱電動勢值(μV/℃)為了保證測試實(shí)驗(yàn)的完整性和有效性,同時考慮到各種因素對測量結(jié)果產(chǎn)生的影響，測試實(shí)驗(yàn)選取其常用的500℃~1000℃范圍內(nèi)，整百數(shù)點(diǎn)為測試點(diǎn)。每個測試點(diǎn)測試3次,其中每次測試間隔采樣4次取平均值。
3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
       通過測試獲得裝有保護(hù)套管和未加裝保護(hù)套管熱電偶在對應(yīng)溫度點(diǎn)處的溫差測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1(單位:9℃)。將對應(yīng)溫度點(diǎn)的溫差平均值繪制成曲線如圖1。
經(jīng)過分析，從圖中我們發(fā)現(xiàn):
(1)加裝保護(hù)套管的數(shù)據(jù)曲線整體在未加裝保護(hù)套管的下方，從式(2)我們可以得出主要是因?yàn)榧友b保護(hù)套管后，測得的熱電動勢相較于未加裝保護(hù)套管數(shù)值更小的緣故,即加裝保護(hù)套管部分影響了熱傳導(dǎo)，導(dǎo)致測得的熱電動勢減小;

(2)未加裝保護(hù)套管的溫差測量曲線相對平滑，加裝保護(hù)套管后溫差測量曲線存在一定的波動，即加裝保護(hù)套管后,對溫差測量產(chǎn)生了一定影響，且對應(yīng)于溫度點(diǎn)各不相同;
(3)相較測量范圍內(nèi)的溫差，在極值點(diǎn)處數(shù)值偏差較大，而在中間區(qū)域，兩者的數(shù)值偏差相對較小，甚至是重合的。即保護(hù)套管在極值處的影響更大。
4保護(hù)套管的使用規(guī)范及要求
       在熱電偶保護(hù)管選擇中，應(yīng)考慮的因素有:被測介質(zhì)的溫度、流速、腐蝕性,管子的粗細(xì)、壁厚、長短、氣密性、抗熱沖擊、化學(xué)適應(yīng)性、承受壓力、應(yīng)力、響應(yīng)速度、性價比。我們可以根據(jù)實(shí)際情況，選擇合適的保護(hù)管材料。熱電偶保護(hù)管的選取原則是:根據(jù)技術(shù)指標(biāo)結(jié)合實(shí)際情況，來選擇方案。在實(shí)際工作中，我們可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、廠家說明書或選用指南手冊，快速地選取保護(hù)管材料。在使用這些資料時必須仔細(xì)注意各種特定的情況。
       通過實(shí)驗(yàn)室測試，熱電偶導(dǎo)體及套管的傳熱問題可能引起測量誤差，為了減小這種影響，除了選用合適的熱電偶保護(hù)套管外，在實(shí)際使用中還應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
(1)插入深度要求
       測量端應(yīng)有足夠的插入深度,應(yīng)使保護(hù)套管的.測量端超過套管中心線(5~10)mm。
(2)插入方向要求
       保證測溫元件與流體充分接觸,最好是迎著被測介質(zhì)流向插入正交90也可,但切勿與被測介質(zhì)形成順流。
(3)熱電偶的選擇要求
       如果被測對象體積小，熱容量不大，應(yīng)盡可能不用金屬套管,并且采用細(xì)直徑的熱電偶絲。
5結(jié)論
       針對保護(hù)套管對熱電偶測溫影響,本文選取了一種典型的保護(hù)套管(石英材質(zhì)保護(hù)套管)在500℃~1000℃范圍內(nèi),進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，并對數(shù)據(jù)結(jié)果對比分析發(fā)現(xiàn)保護(hù)套管會一定程度的影響熱電偶測溫,并且在極值點(diǎn)處對熱電偶測溫影響更大。另外根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，總結(jié)了熱電偶保護(hù)套管選型應(yīng)考慮的因素和原則，及在實(shí)際使用中應(yīng)注意的要求，以便使保護(hù)套管對熱電偶測溫的影響降到最小。