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深入介绍铠装热电偶分流误差

2025年02月06日 09:18:41 来源：云南昌晖仪表制造有限公司 >> 进入该公司展台阅读量：35

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。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。本文将参照日本学术振兴会研究报告，结合实践予以说明。

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Φ4.8mm，长度为25m，中间部位加热带的长度为20m，温度为1000℃。该实验中，热电偶的测量端与中间部位的温差为200℃。如果铠装热电偶测量端温度高于中间部位，产生负误差；相反，铠装热电偶测量端温度低于中间部位则产生正误差。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。

图1 典型的分流误差举例(实验值)

1.2 分流误差的产生机理
由热电偶测温原理可知，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。

图2 温差与热电动势

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，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：

图3 温度分布

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。

图4 电位分布与温度分布的关系

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。

图5 铠装热电偶中间部位温度高，并保持绝缘情况下的电位分布

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。

图6 高温下，铠装热电偶中间部位的绝缘电阻变小时的电位分布

1.3 分流误差的影响因素及对策
①铠装热电偶的直径
对长度为9m的K型铠装热电偶(MgO绝缘)，只对热电偶中间部位加热。实验结果表明:分流误差的大小与其直径的平方根成反比，即直径越细，分流误差越大(直径过细，不遵守此规律)。

当中间部位温度高于800℃时，对于ϕ3.2mm铠装热电偶将产生分流误差。但对于ϕ6.4mm及ϕ8mm铠装热电偶，当中间部位的温度为900℃时，仍未发现分流误差。对于ϕ6.4mm(热电偶偶丝直径为ϕ1.4mm)与ϕ8mm(热电偶偶丝直径为ϕ2.0mm)的铠装热电偶，当中间部位温度为1100℃时，直径为ϕ8mm的铠装热电偶，产生的分流误差仅为ϕ6.4mm的一半。此数值 (50%) 近似于两种铠装热电偶偶丝直径的平方比(1.42/2.02=0.49)，而偶丝直径平方比，即为偶丝的电阻比，当中间部位的温度为1150℃时，采用直径为ϕ10mm的特种铠装热电偶才有可能消除分流误差。因此，为了减少分流误差应尽可能选用粗直径的铠装热电偶。

②中间部位的温度
如果中间部位的加热温度超过800℃，有可能产生分流误差，其大小将随加热温度的升高呈指数关系增大。因此，除测量端外，其它部位应尽可能避免超过800℃，这是很必要的。为达到上述目的，可将铠装热电偶置入管内，再向管中通入空气或氮气进行冷却降温，将铠装热电偶中间部位的温度控制在800℃以下。

③中间部位加热带长度及位置
当中间部位的温度高于800℃时，中间部位加热带的长度越长，距离测量端越远，分流误差越大。因此，遵照上述原则，应尽可能缩短加热带长度，并且不要在远离测量端处加热，以减少分流误差。

④热电偶丝的回路电阻
当铠装热电偶的直径相同时，分流误差将随热电偶偶丝的回路电阻增大而增加。因此，采用回路电阻小的热电偶较好。例如直径相同的S型铠装热电偶同K型热电偶相比，其分流误差减少40%。

⑤绝缘电阻
高温下氧化物的电阻率将随温度的升高呈指数降低，分流误差的大小主要取决于高温部分的绝缘性能，绝缘电阻越低，越容易产生分流误差。当绝缘电阻增加10倍或减少至1/10时，其分流误差也随之减少至1/10或增大10倍。

为了减少分流误差，应尽可能采用直径粗的铠装热电偶，增加绝缘层厚度。如果测量条件恶劣，上述措施无效时，只好采用装配式热电偶。

2、铠装热电偶的劣化
对于铠装热电偶应注意如下事项:
①铠装热电偶的制作。依据铠装热电偶的材质，选择适宜的制作工艺，否则因加工不当致使热电偶偶丝中有残留畸变产生，有可能引起热电偶劣化或特性漂移。
②铠装热电偶的测量端如果封头不，有微小裂纹或裂缝存在，潮湿气体有可能侵入，致使绝缘电阻下降。
③铠装热电偶的正极，如果未形成致密的氧化膜，并且套管内有残留微量氧或者测量端头有微小气孔、裂缝，可使氧进入套管内，致使正极中Cr发生选择性氧化，引起劣化变质。
④过度弯折铠装热电偶，有可能产生寄生电势。

3、高温下铠装热电偶的漂移特性
为了探讨高温下铠装热电偶的漂移特性，实验研究了铠装热电偶套管材质、规格及使用温度对漂移的影响。

3.1 实验条件
①铠装热电偶套管材质：不锈钢(SUS310S)，因科内尔(NCF600)，Ni-Cr合金
②实验温度：1000-1200℃
③规格：直径ϕ1.6mm-ϕ22mm的K型与N型铠装热电偶

3.2 实验结果
①当热电偶种类及外径相同时，漂移的速度受套管材质影响很大。漂移顺序自左向右逐渐增大:Ni-Cr
②在高温下，N型与K型相比，无论采用何种套管材料，外径及加热温度，N型铠装热电偶更稳定，其漂移速度均小于K型。
③当热电偶种类与套管材质相同时，其漂移速度与直径成反比。
④同一规格、型号的铠装热电偶，其漂移随温度的升高而增大，近1200℃的漂移速度约为近1100℃的两倍
⑤如果采用NCF600管，其使用寿命(空气中)要求为4000h，漂移量为±0.75%时，那么对铠装热电偶的规格应按测温范围作如下选择：1000℃时，外径>1.6mm；1100℃时，外径>3.2mm；1200℃时，外径>6.4mm。否则，难以满足用户要求。

4、结束语
高温下铠装热电偶产生分流误差的现象，正在引起人们的重视，分流误差的大小，与下列因素有关：
①铠装热电偶的直径越细，绝缘电阻越低，越容易产生分流误差；
②铠装热电偶中间部位温度超过800℃时，温度越高，加热带的长度越长，并且距测量端越远，越容易产生分流误差；
③K型与S型相比，K型铠装热电偶更容易产生分流误差。

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