論文---過程控制

1、.第一章：熱電偶的選擇第一節(jié)： 標準熱電偶第二節(jié)：熱電偶的規(guī)格第三節(jié)：熱電偶的結(jié)構(gòu)第四節(jié)：適用溫度范圍第五節(jié)：顏色代號標準第六節(jié)：熱電偶的選擇第二章：熱電偶的正確使用第一節(jié):安裝不當引入的誤差第二節(jié):絕緣度變差而引入誤差第三節(jié):熱惰性引入的誤差第三節(jié):熱惰性引入的誤差第四節(jié):熱阻誤差第三章：熱電偶測溫誤差分析第一節(jié)：熱電偶測溫過程的理論分析第二節(jié):輻射換熱引起的測溫誤差第三節(jié):熱電偶導(dǎo)熱引起的測溫誤差第四章:熱電偶的劣化及對策第一節(jié):貴金屬熱電偶的劣化第二節(jié):廉金屬熱電偶的劣化第三節(jié):鎢徠熱電偶的劣化第四節(jié):滲碳爐用熱電偶的劣化及對策第一章：熱電偶的選擇在化工生產(chǎn)過程中，熱電偶是極為重要的一次

2、元件。熱電偶的正確合理使用，不僅能夠確保生產(chǎn)安全，而且可以提高 產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。為此，應(yīng)對熱電偶的技術(shù)規(guī)范和結(jié)構(gòu)作較全面的了解?，F(xiàn)根據(jù)文獻1，結(jié)合我國具體特點進行了一次刪減和補充，希望能夠?qū)x表測量行業(yè)的同行們在國內(nèi)及國外引進項目中熱電偶的選用及維護方面有所幫助。第一節(jié)： 標準熱電偶熱電偶系統(tǒng)由熱電偶傳感器、測領(lǐng)和控制儀表一級熱電偶傳感器與儀表連接的導(dǎo)線組成。熱電偶可以分為兩大類：廉金屬類（分度號為J、K、T、E、N）和貴金屬類（分度號為R、S、B）。其中J型和K型是工業(yè)控制中使用最廣泛的熱電偶。J型是鐵康銅熱電偶，主要特點是通用性強，可以在溫度高達760°C（1400F）的氧化和

3、還原氣體環(huán)境中使用。這種熱電偶正極為純鐵偶絲，鐵的氧化電阻的，極易生銹。目前尚無好的防銹措施，因此沿海地區(qū)的工廠或有鹽害存在的區(qū)域不宜采用。這就使J型熱電偶在中溫場合中的應(yīng)用受到了限制。K型熱電偶的正、負極都是高鎳合金、適用于氧化或惰性氣氛，測溫溫度可達1260C（2300F）。K型熱電偶不能用于還原氣氛，如熱處理過程及含有氫氣，游離氨、一氧化碳等的過程都是還原性氣氛。在還原氣氛中，如果溫度達到800950C ,K 型熱電偶的正極（含有9%鉻的鎳基合金）會氧化生成一種淺綠色的氧化鉻,使原來的尖晶石型鎳鉻氧化物結(jié)構(gòu)受到破壞，即所謂的“律師現(xiàn)象”（在滲碳氣氛中，在高溫下，由于形成碳鉻以至在金晶界發(fā)

4、生選擇性氧化而造成的一種很強的腐蝕作用），從而消耗正極中的鉻含量，造成電動勢的降低。K型熱電偶的正極暴露在400600溫度范圍時，易發(fā)生老化并引起熱電偶在正方向大約5的變化。因此，如果選用K型熱電偶測量范圍是400600時，被測過程的溫升必須十分緩慢，如欲測出4的溫度變化就需要一小時或更長時間。N型(鎳鉻硅合金一鎳硅)熱電偶在400600的溫度條件下，不會出現(xiàn)老化。因此，在相同環(huán)境條件下，N型熱電偶校驗值的穩(wěn)定性要比K型的好。N型熱電偶是一種較新型的熱電偶。在第六屆國際溫度討論會上(1982年3月于美國)肯定了N型熱電偶的有用性。其合金組成見表1所列。這種熱電偶在高溫環(huán)境中耐氧化性能好，最高測

5、量溫度為+1300，但其熱電勢特性的線性不如K型熱電偶。在國外N型熱電偶多用于核電站的溫度測量，其使用范圍正逐步向其它應(yīng)用領(lǐng)域擴展，有普及和取代貴金屬熱電偶的趨勢。T型(銅一康銅)熱電偶主要用于低溫和環(huán)境溫度的測量。T型熱電偶的熱電勢特性與溫度成比例，因此測量精度高。E型(鎳鉻-康銅)熱電偶的特點是耐氧化、耐腐蝕性能好。它是為了補償J型熱電偶的缺點而研制的，在廉金屬熱電偶中是價格最貴的一種。這種熱電偶能產(chǎn)生較大的熱電勢，因此經(jīng)常用于熱電堆的溫度測量。圖1是工業(yè)常用熱電偶的溫度一熱電勢關(guān)系曲線圖。 在貴金屬熱電偶中，R型(鉑鍺13一鉑)和S型(鉑鍺1。一鉑)熱電偶可用于測量1480的溫度，而B型

6、(鉑鍺3。一鉑鍺6)熱電偶則可測量1700的高溫。R型和S型熱電偶可用于氧化或J隋性氣氛中。B型熱電偶既可用于氧化或惰性氣氛中，也可用于真空氣氛中。但這三種熱電偶都不能在還原氣氛中使用。否則熱偶元件就會被污染，引起熱電偶校正值的變化，而且會過早失效。 第二節(jié)：熱電偶的規(guī)格任何新制熱偶的精度或出廠檢定可以用毫伏偏差表示，或者用標準的電動勢(EMF)溫度表中的溫度表示。在有關(guān)的技術(shù)學會文件中對熱電偶的出廠檢定標準和特殊允差都進行了規(guī)定。圖2所示即為ANSI MC96.1，ASTME23o和NBS125所規(guī)定的J型和K型熱電偶的出廠檢定允差。從圖中可知國際標準化協(xié)會、測試和材料協(xié)會、美國國家標準局規(guī)

7、定的初期允差均為士4下(士2.2)，即溫度范圍的0.75%。這種熱電偶特殊等級的初期校驗允差為士2下(士1.1)，即溫度范圍的士0.4%。兩種允差都比較大。對嚴格的溫度控制來說，希望獲得1/4允差的材料，這種材料的初期允差應(yīng)恰好是特殊等級允差的一半。在大多數(shù)情況下，J型熱電偶的最高溫度極限是1000下，K型熱電偶為2000下。美國ISA指定的熱電偶基本情況如表1所示。我國于1984年正式采用國際電工委員會(I EC)標準，熱電偶的檢定標準按照IEC標準Pabcication 584一2中熱電偶的第二部分“允差”為依據(jù)進行。熱電偶的允差是當基準接點(或參比端)的溫度為。，測溫接點(測量端)為適當

8、溫度(t)時，偏離IEC標準584第一部分“分度表”中電動勢一溫度值的規(guī)定最大偏差(t)。允差是以偏差(0)或?qū)嶋H溫度的百分數(shù)表示，取兩者中較大者。表2是我國常用熱電偶的允差等級。圖1工業(yè)用熱電偶的溫度一熱電勢關(guān)系曲線圖標準允差土4下或溫度的士0.75%特殊允差士2下或溫度鮑+0.4%圖ZJ型和K型ANSI MC96.1，ASTME23O和NBS125標準出廠檢定允差第三節(jié)：熱電偶的結(jié)構(gòu) 從結(jié)構(gòu)上來分，熱電偶可分為瓷管絕緣型(瓷珠型)、隔離絕緣型、金屬愷裝型三種類型。3.1瓷管絕緣型熱電偶 單腔或雙腔燒結(jié)陶瓷管套在裸熱電偶上一道使用。常用的絕緣子材料是剛玉和莫來石(一種含氧化鋁的氧化硅材料)，

9、不管是廉金屬熱電偶還是貴金屬熱電偶都可以采用這種結(jié)構(gòu)形式，以便與惡劣的環(huán)境條件隔離。在許多情況下，熱電偶的連接處會受到快速響應(yīng)時間的影響。它的可彎曲性也差。3.2隔離絕緣型熱電偶廉金屬熱電偶可用各種絕緣材料直接絕緣。這種結(jié)構(gòu)的熱電偶具有很好的可彎曲性。用于低溫或環(huán)境溫度測量的熱電偶可采用沖壓塑料絕緣，玻璃絕緣熱電偶用于中溫測量。陶瓷纖維絕緣的熱電偶用于高溫測量。3.3金屬銘裝型熱電偶該類型的熱電偶偶絲是封閉在薄壁金屬管中，偶絲與偶絲以及偶絲與管壁之間的絕緣用牢固充填無機物(Mgo或Al刀3)來絕緣。愷裝(金屬管)材料可采用因康鎳合金(I nconel)。愷裝熱電偶測溫接點結(jié)構(gòu)有四種，即管塞式、

10、接地式、露頭式和絕緣(或非接地)式。這四種結(jié)構(gòu)如圖3所示。選擇哪種結(jié)構(gòu)主要取決于所要求的反應(yīng)時間。愷裝熱電偶具有極佳的機械強度，不受環(huán)境的影響(露頭式熱電偶除外)，可彎曲性極好。 表2熱電偶允差等級 圖3裝熱電偶的剛溫接點結(jié)構(gòu)第四節(jié)：適用溫度范圍標準廉金屬熱電偶及其絕緣材料所適用的溫度范圍如圖4所示。從圖中可以看出:對于200以內(nèi)的溫度可以用直接沖壓塑料絕 緣;低溫場合可用卡普龍(KAPTON杜邦公司商標名)和B一纖維(THERMO ELEC-TRIC公司商標名);中溫區(qū)500以內(nèi)采用G玻璃纖維絕緣，700以內(nèi)可用Q玻璃纖維絕緣;對于700以上的高溫區(qū)所采用的絕緣材料是各種陶瓷纖維，如CEFI

11、R(THERMO ELECTRIC公司商標名)、RE-FRASIL(湯普森公司商標名)和NEXTEL(3M公司商標名)。第五節(jié)：顏色代號標準采用顏色標準代號，可幫助我們很容易地區(qū)分熱電偶的類型及其正、負極性。美國、英國、法國、德國、日本、原蘇聯(lián)和中國都有自己的一套標準，且各不相同 圖4標準化熱電偶及其絕緣材料的操作溫度范圍 圖中:CEFIR、R型、B一纖維是THERMO El_ECTRIC公司產(chǎn)品 NEXTEI是3M公司產(chǎn)品 REFRASIL是湯普森(THOMPSON)公司產(chǎn)品 尼龍、聚四氟乙烯、KAPTON是杜邦公司產(chǎn)品由ISA規(guī)定的美國熱電偶和補償導(dǎo)線的顏色標準ANSIMC 96.1(82

12、)，如表3-5所示。 表3雙絕緣熱電偶ISA色標 表4單絕緣熱電偶補償導(dǎo)線ISA色標 表5雙絕緣熱電偶補償導(dǎo)線ISA色標第六節(jié)：熱電偶的選擇 各種熱電偶都有它的優(yōu)點及局限性。沒有哪一種熱電偶能適用于整個測溫范圍。對某一特定的應(yīng)用場合，在選用熱電偶時，應(yīng)該對有關(guān)問題作認真地研究，諸如性能要求、環(huán)境條件、設(shè)計和價格等。6.1性能要求 對涉及溫度測量與控制的工藝過程，在 選擇熱電偶時，首先必須考慮熱電偶的基本精度和整個測溫系統(tǒng)的測量誤差。因此應(yīng)該把熱電偶出廠檢定的穩(wěn)定性、使用壽命同整個工藝過程所允許的溫度偏差一起研究。6.2環(huán)境條件 在選擇熱電偶時不但要考慮正常操作溫度、最高操作溫度，還要對達到最高

13、操作溫度的頻率、時間長短以及可能接觸到的環(huán)境條件進行考慮。廉金屬熱電偶一般不允許用在還原性氣氛中(僅K型熱電偶在500以下除外)或含硫、磷、硅等介質(zhì)中。當有硫存在時，鎳鋁在650一816溫度范圍內(nèi)會產(chǎn)生嚴重的“硫蝕”而脆斷。另外，如果使用K型熱電偶必須考慮其老化后的測量滯后及上述只能用在溫升非常緩慢的過程中。6·3設(shè)計的考慮 對于溫度波動頻繁的工藝過程，如表面溫度的測量，熱影響是設(shè)計中應(yīng)該考慮的一個重要因素，對快速熱響應(yīng)過程應(yīng)該采用連接尺寸小(偶絲直徑較細)的裸露熱電偶。又如熱電偶在安裝時需要彎曲，那么就要考慮熱電偶的可彎曲性。再如，在選用補償導(dǎo)線 時，必須注意熱電偶、補償導(dǎo)線、儀表

14、之間的匹配，否則會產(chǎn)生誤差。6.4價格 在選擇最佳熱電偶系統(tǒng)時，應(yīng)從系統(tǒng)出發(fā)考慮價格問題，即應(yīng)對熱電偶、補償導(dǎo)線和二次儀表進行全面衡量。文獻2中給出的一個實際例子表明，雖然兩種熱電偶價格相差不大，但它們各自配用的補償導(dǎo)線卻存在著較大的差價，如果選擇不慎，則會給用戶帶來不必要的經(jīng)濟損失。6.5熱電偶的安裝 正確地選用熱電偶會為以后的測量奠定良好的基礎(chǔ)，但如果安裝不正確仍會給測量帶來誤差。當采用熱電偶測量流體溫度時，如采用斜插或在肘管上安裝，熱電偶須逆著流速方向安裝，并且要有足夠的插入深度，應(yīng)盡量減少露在大氣部分的長度，否則應(yīng)采取必要的保溫措施。熱電偶的插入深度對測量精度有很大影響，究竟插入深度多

15、少為好，應(yīng)視具體情況而定。行之有效的經(jīng)驗證明，熱電偶的插入深度至少應(yīng)為熱電偶直徑的10倍。此外，補償導(dǎo)線與熱電偶偶絲連接處應(yīng)按設(shè)計要求遠離熱源。這一點對鉑熱電偶尤為重要。熱電偶周圍的環(huán)境要盡可能清潔。油(含硫的)、磷以及任何低熔點組分對大多數(shù)熱電偶都有致命的影響。6.6熱電偶的維護 為保證熱電偶測溫系統(tǒng)的測量精度，熱電偶及其配套儀表應(yīng)每年或每半年檢定一次，使用中的熱電偶應(yīng)該在工作位置進行校驗。這是因為熱電偶一經(jīng)投入使用其校驗值就會發(fā)生變化。 對于測量精度要求高的場合，廉金屬熱電偶應(yīng)定期淘汰;對不太重要的過程也應(yīng)在熱電偶的校驗值出現(xiàn)較大變化之前及時更換。另外，熱電偶套管也要定期更換，并定期檢查連

16、接部件是否嚴緊。6.7故障的查找 熱電偶的焊接點、補償導(dǎo)線及其與熱偶元件的連接處，都是極有可能發(fā)生故障的地方。為方便現(xiàn)場檢查故障可采用便攜式檢驗儀(一種能夠測量或模擬熱電偶信號的專用儀器)。 檢查熱電偶系統(tǒng)的電阻也是一種非常有效的方法。低阻值通常說明系統(tǒng)是正常的;高阻值則意味著偶絲直徑嚴重變小，即已接近其使用壽命了;系統(tǒng)開路則說明斷偶故障或焊點脫落。如果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生較大的誤差，還應(yīng)對接線的極性進行檢查。如果補償導(dǎo)線的正負極沒有對應(yīng)接到熱偶元件的正、負端上，對于K型熱熱偶會產(chǎn)生大于100的測量誤差。熱電偶的種類和極性，除可用前面所說的顏色標準區(qū)分外，還可根據(jù)不同合金偶絲的韌性、顏色以及是否親磁來進行

17、識別。 第二章：熱電偶的正確使用熱電偶的工作原理是基于塞貝克效應(yīng),即:如果由兩種不同成分的均質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路,當兩端存在溫度梯度時,回路中就有電流通過,那么兩端之間就存在塞貝克電勢熱電勢。其值與組成熱電偶的金屬材料性質(zhì)、熱端與冷端的溫度差的大小有關(guān),而與熱電極的長短,直徑大小無關(guān)。熱電偶是將溫度轉(zhuǎn)換成熱電勢的一種感溫元件,配以二次儀表通過測量熱電勢從而測定出溫度值。結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便、測量精度高、測溫范圍寬,廣泛用于生產(chǎn)、科研、機械工業(yè)中的熱處理中用來測量與控制溫度。正確使用熱電偶不但可以準確得到溫度的數(shù)值保證產(chǎn)品合格,而且還可節(jié)省熱電偶的材料消耗,既節(jié)省資金又能保證產(chǎn)品質(zhì)量。熱電

18、偶在測溫和控溫中產(chǎn)生的誤差往往容易被忽視,主要是由于安裝不正確,熱導(dǎo)率、時間滯后等誤差,它們是熱電偶在使用中的主要誤差。第一節(jié):安裝不當引入的誤差如熱電偶安裝的位置及插入深度不能反映爐膛的真實溫度,因此熱電偶不應(yīng)裝在太靠近門和加熱的地方,插入的深度至少應(yīng)為保護管直徑的810倍;熱電偶的保護套管與壁間的間隙未填的絕熱物質(zhì)致使爐內(nèi)熱溢出或冷空氣侵入,因此熱電偶保護管和爐壁孔之間的空隙應(yīng)用耐火泥或石棉繩等絕熱物質(zhì)堵塞以免冷熱空氣對流而影響測溫的準確性;熱電偶冷端太靠近爐體使溫度超過100;熱電偶的安裝應(yīng)盡可能避免開強磁場和強電場,所以不應(yīng)把熱電偶和動力電纜線裝在同一根導(dǎo)管內(nèi)以免引入干擾造成誤差;熱電

19、偶不能安裝在被測介質(zhì)很少流動的區(qū)域內(nèi),當用熱電偶測量管內(nèi)氣體溫度時,必須使熱電偶逆著流速方向安裝,而且充分與氣體接觸。第二節(jié):絕緣度變差而引入誤差如熱電偶絕緣了,保護管和拉線板污垢或鹽渣過多致使熱電偶間與爐壁間的絕緣不良,在高溫下更為嚴重,這不僅會引起熱電勢的損耗而且還會引入干擾,由此引起的誤差有時可達上百度。第三節(jié):熱惰性引入的誤差由于熱電偶的熱惰性使儀表的指示值落后于被測溫度的變化,在進行快速測量時這種影響尤為突出。為此盡可能采用熱電極較細保護管直徑較小的熱電偶。測溫環(huán)境許可時,甚至可將保護管取去。熱電偶的滯后是用它的時間常數(shù)來表征的。由于存在測量滯后,用熱電偶檢測出的溫度波動的振幅較爐溫

20、波動的振幅小。測量滯后越大,熱電偶波動的振幅就越小,與實際爐溫的差別也就越大。當用時間常數(shù)大的熱電偶測溫或控溫時,儀表顯示的溫度雖然波動很小,但實際爐溫的波動可能很大。為了準確的測量溫度,應(yīng)當選擇時間常數(shù)小的熱電偶。時間常數(shù)與傳熱系數(shù)成反比,與熱電偶熱端的直徑、材料的密度及比熱成正比,如要減小時間常數(shù),除增加傳熱系數(shù)以外,最有效的辦法是盡量減小熱端的尺寸。在使用中為了保護熱電偶,一般都帶有保護套管,這就大大增加了熱電偶的時間常數(shù),使動態(tài)測量精度變得更差,即熱電偶的溫度與爐膛溫度之差更大。但反應(yīng)出來的卻相反,這就使操作人員容易誤認為爐溫波動很小。所以在熱處理爐的溫度測量中,應(yīng)盡量減少保護套管的時

21、間常數(shù),通常采用導(dǎo)熱性能好的材料、管壁薄、內(nèi)徑小的保護套管,在較精密的溫度測量中,使用無保護套管的裸絲熱電偶,但熱電偶容易損壞,應(yīng)及時較正及更換。第四節(jié):熱阻誤差當熱電偶的保護套管在高溫時如保護管上有一層煤灰、塵埃附在上面,則熱阻增加,阻礙熱的傳導(dǎo),這時溫度示值比被測溫度的真值低。因此在使用過程中保持熱電偶保護管外部的清潔是減小誤差的措施之一。第三章：熱電偶測溫誤差分析熱電偶是最傳統(tǒng)的溫度檢測元件，長期以來得到了廣泛應(yīng)用，效果很好，使其成為人們普遍接受的定型產(chǎn)品。在工業(yè)加熱爐爐溫控制中，為了提高控制水平，人們總是注重控制手段及控制設(shè)備。比如由位式控制發(fā)展到PID控制，由模擬儀表控制過渡到計算機

22、控制等，控制水平越來越高。然而，一個溫度控制系統(tǒng)的控溫水平除了與控制精度有關(guān)外，還與其測量精度有關(guān)。測量精度隨控制精度提高而提高，同時還受熱電偶檢測誤差等因素的影響。事實上，熱電偶測溫時，客觀地存在誤差，這種誤差還會隨使用不當而進一步增大。因此，有必要對熱電偶測溫過程進行分析。另外，還將從理論上研究減小誤差的措施，為進一步提高溫度測控水平奠定基礎(chǔ)。第一節(jié)：熱電偶測溫過程的理論分析 圖1表示加熱爐內(nèi)熱電偶熱端換熱情況。設(shè)爐墻內(nèi)表面的溫度、面積及黑度分別為、F，和;設(shè)熱電偶熱端的溫度、表面積及黑度分別為tT、FT和。T;設(shè)爐氣溫度為t:。為討論問題簡便，假定爐氣黑度。:=0，即爐氣不吸收也不輻射熱

23、能。再假設(shè)爐氣是熱源，溫度最高，爐墻溫度最低，熱電偶溫度居中，則熱電偶熱端的換熱情況如下圖。氣流對熱電偶熱端的對流換熱為 式中a對流換熱系數(shù).熱電偶與爐墻的輻射換熱為 (2) 圖1熱電偶熱端換熱Fig.1 The heat transfer about the heat end of thermocouple式中，C為導(dǎo)來輻射系數(shù)，其表達式為 由于,則 (3)將式(3)代入(2)中 (4) 在熱端溫度高于爐墻溫度時，熱端將通過熱電極導(dǎo)出熱量: 式中-熱電極導(dǎo)熱系數(shù). -溫度梯度; 熱電極橫截面積. 另外，當熱電偶尚未達到穩(wěn)態(tài)，還在升高溫度時，熱電偶會得到凈熱: 式中 -熱端質(zhì)量. -比熱容.

24、- 熱端溫度隨時間變化率?？梢?，熱電偶熱端處的熱平衡方程為 (7) 當熱電偶達到熱穩(wěn)態(tài)時,則 (8)若和忽略不計,則=0,從公式(1)中可以得出_.即熱電偶只與氣流進行熱交換,在達到到熱穩(wěn)態(tài)時，熱電偶溫度將等于氣流溫度。實際上，和總是存在的，則用熱電偶測量氣流溫度(即爐膛溫度)總存在誤差。第二節(jié):輻射換熱引起的測溫誤差熱處理低溫爐的傳熱方式主要依靠對流。爐內(nèi)被加熱金屬的溫度，在達到熱穩(wěn)態(tài)后即可認為是爐內(nèi)循環(huán)氣流的溫度。因此，準確地測量氣流溫度對確保產(chǎn)品質(zhì)量極為重要。當熱電極的導(dǎo)熱損失很小時，式(8)變?yōu)閷⑹?1)和式(4)代入得 (9) 即為因輻射換熱引起的測溫誤差。為了使測溫誤差盡量減小，分

25、析式(9)可知，減小熱電偶熱端黑度，增大對流換熱系數(shù)，均可降低測溫誤差.為此，選用黑度小的熱電偶材料或?qū)岫隋冦t拋光以減小黑度，均可以減小誤差。另外，熱電偶應(yīng)安裝在爐內(nèi)流速大的地方，以提高其對流換熱系數(shù)。同時，還應(yīng)注意熱電偶的安裝方向，通常熱電極應(yīng)與氣流方向垂直安裝，此時對流換熱系數(shù)較大，可減小誤差。另外，從式(9)中看出，若能提高，便可大大減小測溫誤差。但是，提高爐墻溫度往往是辦不到的，這時可以在熱端處安裝屏蔽罩，如圖2所示。屏蔽罩是由金屬薄片做的同心多層(一般為兩層)國筒。內(nèi)層和外層屏蔽罩的黑度和換熱面積分別為,和,.此時熱電偶與爐墻內(nèi)表面間的輻射換熱為 (10)式中-導(dǎo)來輻射系數(shù),可按式

26、(3)計算.考慮到,所以 因此,式(10)變?yōu)?(11)與式(4)比較可以看出，加屏蔽罩后基本上不影響熱端與爐墻內(nèi)表面之間的輻射熱交換。但由于此時屏蔽罩四周被氣流所包圍，屏蔽罩的溫度非常接近氣流溫度，熱電偶熱端只與屏蔽罩發(fā)生輻射熱交換，而與爐墻溫度無關(guān)，因此可大大降低輻射誤差。 圖2帶有雙層屏蔽罩的熱電偶Fig.2 The thermocouple with two layers shielding case第三節(jié):熱電偶導(dǎo)熱引起的測溫誤差 在忽略熱電偶因輻射引起的誤差后，式(8)變?yōu)?如圖3所示，設(shè)熱電極上的溫度分布為，熱端溫度為，爐墻處熱電極溫度為，熱電極截面積為，周長為。在熱電極上取單元

27、體積，則經(jīng)過導(dǎo)熱流入單元體積的熱量為 通過單元體測表面借對流傳入的熱量為通過單元體積另一截面流出的熱量為 在穩(wěn)定導(dǎo)熱條件下,有 將上面的三式代入化簡得 令,上式變?yōu)榇胧?13)，則二階微分方程的解為 借對流傳給熱端端面的熱量很少，可略去不計，即認為在處，=0。另外,處，。，則式(18)在時可簡化為 (19) (20)式中，稱為雙曲余弦函數(shù)。式(19)即為因?qū)嵩斐傻臏y溫誤差。 例:設(shè)，,熱電極直徑，熱電極冷端(靠爐墻處)的溫度為100，當熱端溫度為500時，求爐氣與熱電偶熱端因?qū)釗p失所產(chǎn)生的誤差(在不同插入深度時)。解: 其余計算列于表1中 從表1可見，熱電偶的導(dǎo)熱誤差隨熱電偶插入爐膛深度

28、增加而迅速減小，在本例中，當插入深度大于150 mm時，可認為沒有導(dǎo)熱誤差。3實例說明 某熱處理車間曾出現(xiàn)如下一種現(xiàn)象:在高溫鹽爐中處理一批高速鋼刀具，為了確保質(zhì)量，在加熱刀具前采用兩種方法對高溫鹽爐的溫度進行了檢驗: 采用0.05級的直流電位差計測量溫度，用熱電偶 表1熱電偶導(dǎo)熱誤差計算表Table 1 Calculated data about the error in conduction of thermocouple 作為傳感器;采用光學高溫計觀察鹽浴表面溫度。結(jié)果由直流電位差計測得的溫度為1250，而由光學高溫計觀察到的溫度約為1280，兩種校驗方法出現(xiàn)了30的誤差。隨后，分析了誤

29、差來源。先對檢測儀表進行檢查，直流電位差計與輻射高溫計均正常，熱電偶經(jīng)校驗合格。另外，測量方法也合理。因此可以說明兩個數(shù)據(jù)都正確無誤。而誤差的存在也是事實，當對熱電偶插入深度調(diào)整后，兩種方法測得的溫度達到了一致。 熱電偶測溫總存在誤差，因此在使用時應(yīng)設(shè)法減少誤差，以提高測溫精度。第四章:熱電偶的劣化及對策前言:熱電偶的使用壽命與其劣化有關(guān)，所謂熱電偶的劣化，即熱電偶經(jīng)使用后，出現(xiàn)老化變質(zhì)的現(xiàn)象。由金屬或合金構(gòu)成的熱電偶，在高溫下其內(nèi)部晶粒要逐漸長大，同時，合金中含有少量雜質(zhì)，其位置或形狀也將發(fā)生變化，而且，同周圍環(huán)境中的氣體也要發(fā)生反應(yīng)。伴隨上述變化，熱電偶的熱電動勢也將極其敏感地發(fā)生變化。因

30、此熱電偶的劣化是不可避免的。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(fā)展到超過允許誤差，甚至斷線不能使用的時間。有關(guān)熱電偶使用壽命的判斷，日本是依據(jù)JISC一1602一1995)標準中規(guī)定的熱電偶連續(xù)使用時間。對B、R、S型熱電偶而言為2000h，K、E、J、T型熱電偶為1伊h。在實際使用時，裝配式熱電偶通常帶有保護管，只有在特殊情況下才裸絲使用。因此，在多數(shù)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(tài)下的數(shù)據(jù)，才有可能給出較準確的結(jié)果。第一節(jié)

31、:貴金屬熱電偶的劣化貴金屬熱電偶與廉金屬熱電偶相比，具有熔點高、抗氧化、化學性能穩(wěn)定等優(yōu)點。因此，廣泛用于高溫領(lǐng)域。但是貴金屬在高溫下同樣也要發(fā)生劣化。1.1使用溫度當t>1400時，鉑將發(fā)生再結(jié)晶，不僅使偶絲抗拉強度下降。而且，會增加氣體沿晶粒間界污染的可能性。因此，對S型熱電偶而言，長期使用溫度不宜超過1400。1.2使用氣氛(1)在清潔空氣、NZ及COZ等場合，可安全使用。(2)在高溫真空條件下，S型熱電偶的鉑極受鍺蒸氣污染引起熱電動勢降低。因此在高溫真空條件下，不能以裸絲形式長期使用。必須加外保護管。(3)還原性氣氛 由于氫的原子半徑很小，滲透力極強。在高溫下幾乎可以滲透所有的保

32、護管，既可以使R發(fā)生氫脆，又能同鉑反應(yīng)，降低其熔點。 碳或碳化物的存在，可與鉑反應(yīng)生成碳化鉑等碳化物而變脆。 如果耐火材料中含有Se、P、S、As、Pb、AI·Zn、Cd、Sn等元素的化合物，將被還原性氣體還原，并同Pt生成化合物或低熔點合金，致使Pt迅速變脆或斷線。表1站污物質(zhì)對貴金屬熱電偶的影響第二節(jié):廉金屬熱電偶的劣化 K型熱電偶的劣化與Ni一Cr極的表面狀態(tài)關(guān)系極大，因此，可根據(jù)表面狀態(tài)的不同，分為正常劣化與異常劣化兩種l2。劣化原因不同，對熱電動勢的影響也不同，方向恰好相反。正常劣化的方向為正，異常劣化方向為負。2.1正常劣化 Ni一Cr熱電極絲表面形成致密的C兒03保護膜

33、，對其內(nèi)部合金具有很好的保護作用，劣化進程緩慢，其熱電動勢向正方向變化，即溫度示值向偏高方向發(fā)展。2.2異常劣化由熱電偶生產(chǎn)工藝不當引起的劣化，其在表面未能全部生成C幾03保護膜，而生成部分具有尖晶石結(jié)構(gòu)的復(fù)合氧化物NIC兒04，NIC兒04與C兒03相比，組織較疏松與熱電極絲的結(jié)合也不牢固，因此，在高溫下使用時，氧化速度很快。而且，在升降溫過程中，氧化膜也將發(fā)生龜裂或剝離脫落，從而進一步促進氧化。結(jié)果在極短時間內(nèi)通過最高點，向負的方向變化，即向溫度偏低方向變化。2.3使用條件不適引起的劣化1)鉻的選擇性氧化在氧分壓較低的情況下，鎳鉻極中的鉻會發(fā)生選擇性氧化，使表面出現(xiàn)綠色的氧化層，通常稱為綠

34、蝕”。這種因鉻含量降低而引起的熱電勢超差，已成為K型熱電偶長期使用的限制因素。如果采用的氣體很純，由于系統(tǒng)中不含氧，可以延長熱電偶的使用壽命。但是，如果熱電偶絲的表面上已有氧化層時，仍會為鉻的選擇性氧化提供足夠的氧此，在非氧化性氣氛中應(yīng)用時，要采用干凈、拋光的偶絲。同時，應(yīng)盡可能避免在帶有微量氧的惰性氣體或氧分壓很低的氣氛中使用。當保護管的長度與管徑的比值較大時即保護管較細時)，由于空氣循環(huán)不良，造成缺氧狀態(tài)，其殘存的氧仍可為鉻的選擇性氧化提供條件。為此，可采用增大保護管直徑或采用吸氣劑防止氧化。作者采用實體化密封結(jié)構(gòu)也可以避免鉻的選擇性氧化。2)選擇性氧化的判斷K型熱電偶正極發(fā)生選擇性氧化與

35、否，可通過如下現(xiàn)象判斷l(xiāng)3:正常熱電極絲表面具有銀灰色金屬光澤朱進行氧化處理)。氧化后在表面或表層下有綠色鱗片生成。如果彎曲熱電極絲，因選擇性氧化部分變脆，其表面將產(chǎn)生龜裂。正極本無磁性，氧化后將帶有磁性。熱電動勢在很短時間內(nèi)，將產(chǎn)生10100的負偏差。3)還原性氣氛的影響將功0.5 mm的K型熱電偶放入還原性氣氛80%玩、15%CO、5%Cq)中，在溫度為900下，試驗1 500h，結(jié)果表明，在高溫下滲碳和鉻的選擇性氧化導(dǎo)致鉻濃度降低，是K型熱電偶劣化的主要原因。在此還原性氣氛中，鎳鉻極表面因游離碳析出，而發(fā)生龜裂和表層脫落，內(nèi)部氧化也隨著迅速進行，鉻的濃度明顯降低，并使偶絲變脆，只經(jīng)500h就發(fā)生斷線。第三節(jié):鎢徠的劣化熱電偶鎢鋅熱電偶絲在高溫下會因再結(jié)晶和晶粒長大致使偶絲變脆，但通常對熱電動勢無明顯影響。3.1各種氣氛對鎢徠熱電偶劣化的影響1)惰性氣體及干燥的氫氣鎢鋅熱電偶在惰性氣氛及干燥的氫氣中，熱電動勢很穩(wěn)定。2)高溫真空鎢鋅熱電偶適用于高溫真空條件。在相同條件下，鎢鋅熱電偶6/26)的穩(wěn)定性及壽命，要優(yōu)于鉑鍺熱電偶。3)高溫含碳氣氛在高溫含碳氣氛下，鎢鋅熱電偶及絕緣材料會與碳作用，生成復(fù)雜的化合物與共晶體，使偶絲變脆、熔點降低，而沉積碳又會造成熱電偶短路，引起熱電動勢漂移。4)空氣及氧化性氣氛在空氣中，由于氧化產(chǎn)物的激烈揮發(fā)導(dǎo)致氧化初期