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熱電偶在測(cè)溫中由于受到測(cè)量環(huán)境、氣氛、使用溫度以及絕緣材料和保護(hù)管材料的污染等影響，使用一段時(shí)間后，其熱電性將會(huì)發(fā)生變化，尤其是在高溫、腐蝕性氣氛下這種影響更為嚴(yán)重。常見(jiàn)的問(wèn)題有:①測(cè)溫儀表示值為零;②測(cè)溫儀表示值不穩(wěn)定;③測(cè)溫儀表示值比實(shí)際值偏大或偏小;④熱電勢(shì)變化不靈敏。
本文針對(duì)在應(yīng)用抽氣熱電偶測(cè)量鋅精餾爐煙道氣體溫度過(guò)程中溫度跳躍問(wèn)題進(jìn)行了分析和處理。
1、測(cè)試方案及測(cè)試器材
用抽氣熱電偶取樣的同時(shí)進(jìn)行煙氣溫度測(cè)量。鎳鉻－鎳硅抽氣熱電偶屬于廉金屬熱電偶，其正極為含鉻10%的鎳鉻合金(KP)，負(fù)極為含硅3%的鎳硅合金(KN)，負(fù)極親磁性。熱電偶絲直徑為0.5mm，長(zhǎng)期使用的zui高溫度上限為1200℃，短期測(cè)溫上限為1300℃，熱電勢(shì)比S型熱電偶大4～5倍，線性度*，使用溫度范圍寬。
熱電偶套管采用直徑為20mm的鋼保護(hù)套管，套管與管座采用螺紋連接，這種連接方式能避免焊接加熱對(duì)熱電偶套管組織性能的影響。這種連接方式要求套管與管座的連接必須緊密。若是連接松動(dòng)，則可能發(fā)生泄露，所以在連接時(shí)可采取一些密封措施。套管在蒸汽的交變應(yīng)力作用下劇烈振動(dòng)易發(fā)生斷裂，因此在安裝時(shí)需要對(duì)套管施加很大的預(yù)緊力。預(yù)緊力若是小了，達(dá)不到連接的穩(wěn)定性;而預(yù)緊力過(guò)大，會(huì)使套管承受過(guò)大的扭矩，從而在應(yīng)力集中部位，也就是變截面處發(fā)生開(kāi)裂。
2、溫度跳躍問(wèn)題分析及處理方案
測(cè)溫過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)極不穩(wěn)定，溫度在－500℃至500℃之間跳躍，而實(shí)際煙氣溫度在300℃左右，經(jīng)過(guò)分析，可能存在的原因如下:
1)熱電偶接線柱和熱電極接觸不良。
2)儀表連接處不牢固。測(cè)量回路中存在斷續(xù)短路、接地、似斷非斷、焊接不良現(xiàn)象。
3)熱電偶因安裝不牢而發(fā)生擺動(dòng)或外部的振動(dòng)使得測(cè)量值不穩(wěn)定。
4)熱電偶的接線盒內(nèi)部有導(dǎo)電液體、潮濕粉塵、金屬液體。接線盒是供熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線連接用的，它的出線孔和蓋子都用墊圈加以密封，以防止污物落入而影響接線的可靠性。當(dāng)其有污染物時(shí)必須認(rèn)真清洗熱電偶接線盒內(nèi)部并在干燥箱內(nèi)烘干后使用。
5)熱電極在使用中被氧化，高溫下晶粒會(huì)變大，同時(shí)受外力作用產(chǎn)生形變應(yīng)力，環(huán)境對(duì)熱電極的污染和腐蝕，都會(huì)影響熱電偶的穩(wěn)定性。
針對(duì)上述原因，采取的處理方案如下:
1)檢查接線柱和熱電極是否接觸牢固可靠，接線端子處固定螺絲是否氧化變形或松動(dòng)，重新固定螺絲和接線柱。
2)用表測(cè)試回路電阻，應(yīng)符合15Ω或規(guī)定的要求，同時(shí)檢查熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線，排除接地點(diǎn)，焊接或更換新的補(bǔ)償導(dǎo)線、熱電極，擰緊固定螺絲。
3)采取減振措施，將熱電偶牢固安裝，熱電偶插入深度應(yīng)不小于本身保護(hù)套管直徑的10倍。對(duì)金屬保護(hù)管熱電偶，插入深度應(yīng)為直徑的15～20倍;對(duì)非金屬保護(hù)管熱電偶，插入深度應(yīng)為直徑的10～15倍。
4)檢查熱電偶接線盒，認(rèn)真清洗并烘干。檢驗(yàn)后安裝熱電偶，測(cè)量溫度時(shí)仍然出現(xiàn)溫度跳躍的情況，經(jīng)分析可能由于工作人員的疏忽大意，使熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線和測(cè)溫儀表之間出現(xiàn)人為故障也能引起溫度不穩(wěn)定，具體原因處理方案如下:
1)補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶配置不當(dāng)。
2)熱電偶與測(cè)溫儀表分度號(hào)不一致。
3)將補(bǔ)償導(dǎo)線接錯(cuò)。熱電偶的兩根補(bǔ)償導(dǎo)線如果接反了就會(huì)出現(xiàn)溫度跳負(fù)數(shù)的情況，此時(shí)儀表就不可能反映真實(shí)的溫度。補(bǔ)償導(dǎo)線相當(dāng)于一支在一定溫度范圍內(nèi)(0～100℃)的熱電偶，故它的電流也是由正極經(jīng)參考端流向負(fù)極，所以在熱電偶連接時(shí)，補(bǔ)償導(dǎo)線的正、負(fù)極應(yīng)與熱電偶的正、負(fù)極相對(duì)應(yīng)。當(dāng)正、負(fù)極連接相反時(shí)不但不能起到補(bǔ)償作用，反而會(huì)抵消熱電偶的一部分熱電勢(shì)，使儀表的指示溫度偏低;同時(shí)，各種補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶配用，即各種熱電偶和所配套使用的補(bǔ)償導(dǎo)線在規(guī)定溫度范圍內(nèi)必須一致。
4)測(cè)量回路接地，串入附加地電勢(shì)。檢查接地點(diǎn)，并加以處理。再次檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)測(cè)溫時(shí)所使用的電源串入了附加地電勢(shì)，重新安裝熱電偶后，測(cè)溫儀表顯示正常。
3串入附加地電勢(shì)導(dǎo)致溫度跳躍的原因經(jīng)分析知，熱電動(dòng)勢(shì)由兩部分電動(dòng)勢(shì)組成，一部分是兩種導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢(shì)，另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)。
1)接觸電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)A和B兩種不同材料的均質(zhì)導(dǎo)體接觸時(shí)，由于兩者內(nèi)部單位體積的自由電子數(shù)目不同(即電子密度不同)，電子在兩個(gè)方向上擴(kuò)散的速率就不同。現(xiàn)假設(shè)導(dǎo)體A的自由電子密度大于導(dǎo)體B的自由電子密度，則導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的電子數(shù)要比導(dǎo)體B擴(kuò)散到導(dǎo)體A的電子數(shù)多，所以導(dǎo)體A失去電子帶正電荷，導(dǎo)體B得到電子帶負(fù)電荷，于是，在A，B兩導(dǎo)體的接觸界面上便形成一個(gè)由A到B的電場(chǎng)。該電場(chǎng)的方向與擴(kuò)散進(jìn)行的方向相反，它將引起反方向的電子轉(zhuǎn)移，阻礙擴(kuò)散作用的繼續(xù)進(jìn)行;當(dāng)擴(kuò)散力與電場(chǎng)力的作用互相平衡時(shí)，便處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，A與B兩導(dǎo)體的接觸處就產(chǎn)生了電位差，稱為接觸電動(dòng)勢(shì)。用eAB(t)表示。
2)溫差電動(dòng)勢(shì)。對(duì)于導(dǎo)體A或B，將其兩端分別置于不同的溫度場(chǎng)t，t0中(t＞t0)。在導(dǎo)體內(nèi)部，熱端的自由電子具有較大的動(dòng)能，向冷端移動(dòng)，從而使熱端失去電子帶正電荷，冷端得到電子帶負(fù)電荷，這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了一個(gè)由熱端指向冷端的靜電場(chǎng)。
該電場(chǎng)阻止電子從熱端繼續(xù)跑到冷端并使電子反方向移動(dòng)，zui后也達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了電位差，將該電位差稱為溫差電動(dòng)勢(shì)，用eA(t，t0)表示。熱電偶回路圖如圖1所示。
3)回路總電動(dòng)勢(shì)。導(dǎo)體A和B首尾相接組成回路，如果導(dǎo)體A的電子密度大于導(dǎo)體B的電子密度，且兩接點(diǎn)的溫度不相等，則在熱電偶回路中存在著四個(gè)電勢(shì)，即兩個(gè)接觸電動(dòng)勢(shì)和兩個(gè)溫差電動(dòng)勢(shì)。熱電偶同路的總電動(dòng)為EAB(t，t0)=eAB(t)－eA(t，t0)+eB(t，t0)－eAB(t0)
實(shí)踐證明，在熱電偶回路中同種材料溫差電動(dòng)勢(shì)只占極小部分，且它們正負(fù)抵消一部分，因此可以忽略不計(jì)，故式(1)可以簡(jiǎn)化成式(2):EAB(t，t0)=eAB(t)－eAB(t0)(2)式(2)表明，熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)只隨熱端(測(cè)量端)溫度的變化而變化，即一定的熱電動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)著一定的溫度。我們通過(guò)測(cè)量熱電動(dòng)勢(shì)的方法就達(dá)到了測(cè)溫的目的。當(dāng)回路接地、串入附加地電勢(shì)以后，則eAB(t)可能等于零或者小于eAB(t0)，這樣EAB(t，t0)將出現(xiàn)負(fù)數(shù)，并且極不穩(wěn)定。
導(dǎo)致熱電偶在測(cè)溫過(guò)程中出現(xiàn)溫度跳躍問(wèn)題的原因有很多，本文對(duì)其可能產(chǎn)生故障的原因逐一排查并提出解決方案，重點(diǎn)分析了熱電偶在串入附加地電勢(shì)后導(dǎo)致溫度跳躍的原因。在使用抽氣熱電偶測(cè)溫時(shí)，由于電源串入了附加地電勢(shì)，從而導(dǎo)致回路總電勢(shì)為負(fù)數(shù)，使得儀表顯示為負(fù)數(shù)，并且極不穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)這一問(wèn)題的分析和處理，盡可能地解決在使用熱電偶進(jìn)行實(shí)際工程測(cè)量中碰到的一些問(wèn)題，這對(duì)于有效提高檢測(cè)水平、檢測(cè)質(zhì)量、檢測(cè)效率和降低檢測(cè)成本具有一定的實(shí)際意義。
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