氣化爐高溫熱電偶常見故障分析

摘要:汽化爐熱電偶是科研、生產最常用的溫度傳感器，針對使用中容易出現的問題，詳細探討了測溫點的選擇，熱電偶的插入深度、響應時間、熱輻射及熱阻抗等產生誤差的主要原因，并指出熱電偶不均質、使用氣氛、絕緣電阻，K型熱電偶選擇性氧化、K狀態及鎧裝熱電偶分流誤差等使用中的注意事項。對提高測量精度，延長熱電偶使用壽命有一定幫助。
　　氣化爐測溫使用的熱偶主要有:用于測量爐膛溫度的B型高溫熱偶:烘爐使用的K型升溫熱偶以及測量表面溫度的K型表面熱偶。為提高測量精度，減少測量誤差，延長熱電偶使用壽命，要求使用者不僅應具備儀表操作技能，還應具有物理、化學及材料等多方面知識。參閱有關資料后，在這里較詳細地介紹熱電偶的測量誤差及其注意事項。
1測量誤差的主要影響因素
1.1插入深度的影響
　　測溫點的選擇:對于工程測溫，其插入深度還與測量對象是靜止或流動等狀態有關，如流動的液體或高速氣流溫度的測量，將不受上述限制，插入可淺一-些，具體數值應由實驗確定。
1.2響應時間的影響
　　接觸法測溫的基本原理是測溫元件要與被測對象達到熱平衡。因此，在測溫時需保持一定時間，才能使兩者達到熱平衡。而保持時間的長短，同測溫元件的熱響應時間有關。而熱響應時間主要取決于傳感器結構及測量條件，差別極大。
1.3熱輻射的影響
　　插入爐內用于測溫的熱電偶，將被高溫物體發出的熱輻射加熱。假定爐內氣體是透明的，而且，熱電偶與爐壁的溫差較大時，將因能量交換而產生測溫誤差。
1.4熱阻抗增加的影響
　　在高溫下使用的熱電偶，如果被測介質為氣態，那么保護管表面沉積的灰塵等將燒熔在表面上，使保護管的熱阻抗增大:如果被測介質是熔體，在使用過程中將有爐渣沉積，不僅增加了熱電偶的響應時間，而且還使指示溫度偏低。
2熱電偶測溫應注意的事項
2.1熱電偶絲不均質影響
　　熱電偶材質本身不均質，由不均質即寄生電動勢引起的誤差，取決于熱電偶絲自身的不均質程度及溫度梯度的大小，對其定量極其困難。
2.2鎧裝熱電偶的分流誤差
　　所謂分流誤差即用鎧裝熱電偶測量爐溫時，當熱電偶中間部位有超過800℃的溫度分布存在時，因其絕緣電阻下降，熱電偶示值出現異常現象。依據均質回路定則，用熱電偶測溫貝與測量端與參考端兩端溫度有關，與中間溫度分布無關。
2.3分流誤差的影響因素及對策
　　高溫下鎧裝熱電偶產生分流誤差的現象，有必要了解分流誤差的影響因素，并采取適當對策以減少或消除分流誤差的影響。(1)鎧裝熱電偶直徑:實驗結果表明:分流誤差的大小與其直徑的平方根成反比(直徑過細,不遵守此規律),即直徑越細，分流誤差越大。因此，為了減少分流誤差，應盡可能選用粗直徑的鎧裝熱電偶。(2)中間部位的溫度:應盡可能縮短加熱帶長度，且不要在遠離測量端處加熱，以減少分流誤差。(3)熱電偶絲的電阻:當鎧裝熱電偶的直徑相同時，分流誤差將隨熱電偶絲的電阻增大而增加。因此，采用電阻小的熱電偶絲更好。(4)絕緣電阻:高溫下氧化物電阻率將隨溫度升高呈指數降低，分流誤差大小主要取決于高溫部分的絕緣性能，絕緣電阻越低，越容易產生分流誤差。
2.4短程有序結構變化(K狀態)的影響
　　K型熱電偶在250~600℃溫度范圍內使用時，由于其顯微結構發生變化，形成短程有序結構，K狀態與溫度、時間有關，當溫度分布或熱電偶位置變化時，其偏差也會發生很大變化，故難以對偏差大小作出正確評價。
2.5使用氣氛的影響
(1) 選擇性氧化:對于含Fe的Ni-Cr合金，如氧分壓低于特定值，則同02親和力大的Cr將發生選擇性氧化，這是Ni-Cr合金特有的晶界氧化。同時，應盡可能避免在帶有微量氧的惰性氣體或氧分壓很低的空氣中使用。當保護管長度與直徑較大時(即保護管很細)，由于空氣循環不良，形成缺氧狀態，其殘余的少量氧仍可為Cr的選擇性氧化提供條件。
(2) 選擇性氧化的對策:為防止或減緩K型熱電偶因選擇性氧化而引起劣化，除在材質方面加以改善外，還應在熱電偶結構上采取相應對策:
(a)選擇對氧親和力較Cr更強的金屬作為吸氣劑，封入保護管內，防止Cr發生選擇性氧化，也可采用增加保護管直徑或吹氣的方法增加氧含量。
(b)裝配式熱電偶實體化。
(3) 使用氣氛的影響:熱電偶的穩定性，因使用溫度、氣氛不同，對同一種傳感器，如K型熱電偶的最高使用溫度也因直徑不同而變化，直徑相同的K型熱電偶也因結構的不同，其穩定性也有很大差異。
(4)絕緣電阻的影響:熱電偶用絕緣物，在高溫下，其絕緣電阻隨溫度升高而急驟降低，因此，將有漏電流產生，該電流通過絕緣電阻已經下降的絕緣物流入儀表，使儀表指示不穩或產生測量誤差，也可能發生記錄儀亂打點的現象。
3熱電偶劣化與使用壽命
3.1熱電偶的劣化
　　熱電偶的使用壽命與其劣化有關，所謂熱電偶的劣化，即熱電偶經使用后，出現老化變質的現象。由金屬或合金構成的熱電偶，在高溫下其內部晶粒要逐漸長大。同時合金中含有少量雜質，其位置或形狀也將發生變化，而且，對周圍環境中的還原或氧化性氣體也要發生反應。伴隨上述變化，熱電偶的熱電動勢也將極其敏感地發生變化。因此熱電偶的劣化現象是不可避免的。
3.2熱電偶的使用壽命
　　熱電偶的劣化是一個量變過程，對其定量很困難，將隨熱電偶的種類、直徑、使用溫度、氣氛、時間的不同而變化。熱電偶的使用壽命是指熱電偶劣化發展到超過允許誤差，甚至斷線不能使用的時間。
(1)裝配式熱電偶的壽命:我國標準中僅對熱電偶的穩定性有要求。即規定在某一溫度下經200h，使用前后熱電動勢的變化。但是，尚未發現對使用壽命有規定。在多數場合下，保護管的壽命決定了熱電偶壽命。對熱電偶的實際使用壽命的判斷，必須是通過長期收集、積累實際使用狀態下的數據，才有可能給出較正確的結果。
(2)鎧裝熱電偶的壽命:由于鎧裝熱電偶有套管保護與外界環境隔絕，因此套管材質對鎧裝熱電偶壽命影響很大，鎧裝熱電偶同裝配式熱電偶相比，雖有許多優點，但使用壽命往往低于裝配式熱電偶。
4結語
　　熱電偶是科研、生產最常用的溫度傳感器，雖然結構簡單，但若使用中不注意仍然會產生較大測量誤差。針對使用中容易出現的問題，詳細探討了測溫點的選擇，熱電偶的插入深度、響應時間、熱輻射及熱阻抗等產生誤差的主要原因，并指出熱電偶不均質、使用氣氛、絕緣電阻，K型熱電偶選擇性氧化、K狀態及鎧裝熱電偶分流誤差等使用中的注意事項。對提高測量精度，延長熱電偶使用壽命有一定幫助。