摘要: 針對(duì)鎧裝熱電偶在使用過程中出現(xiàn)的故障，對(duì)熱電偶絕緣阻值及性能進(jìn)行分析，并在高溫油污等嚴(yán)酷環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)研究。研究表明: 電偶測量端的焊接質(zhì)量和絕緣電阻大小是影響鎧裝熱電偶測溫精度和使用壽命的主要因素。指出: 為保證熱電偶的測溫精度和使用壽命，在采購和使用前，應(yīng)對(duì)絕緣電阻有嚴(yán)格的檢驗(yàn)要求。
引言
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，熱電偶以其測量精度高、結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測量范圍廣、可遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)和科研活動(dòng)中。熱電偶主要用來檢測和控制溫度，但鎧裝熱電偶的使用直徑、種類、使用溫度、中間部位加熱帶長度、絕緣物種類及狀態(tài)等方面的差異，導(dǎo)致其用于工業(yè)生產(chǎn)時(shí)無法精que測溫，使用壽命短，產(chǎn)品報(bào)廢率高。由于對(duì)熱電偶故障缺乏相關(guān)分析工具，導(dǎo)致故障原因無法定位。國內(nèi)試驗(yàn)研究表明: 高溫下氧化物的電阻率隨溫度的升高呈指數(shù)降低，當(dāng)絕緣電阻增加10 倍或減少至1 /10 時(shí)，其分流誤差也隨之減少至1 /10 或增大10 倍。目前大部分研究針對(duì)對(duì)測量精度的影響，而對(duì)使用壽命的影響很少涉及。本文結(jié)合某斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)測溫時(shí)出現(xiàn)的故障，對(duì)鎧裝熱電偶故障進(jìn)行機(jī)理分析和試驗(yàn)研究，為提高熱電偶使用壽命及故障處理提供依據(jù)。
1 熱電偶工作原理
兩種不同成分的導(dǎo)體( 稱為熱電偶絲材或熱電極) 兩端接合成回路，當(dāng)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，就會(huì)在回路中產(chǎn)生電動(dòng)勢，或稱為塞貝克電勢。這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測量的，其中，直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端( 也稱為測量端) ，另一端叫做冷端( 也稱為補(bǔ)償端) ;冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示所產(chǎn)生的熱電勢。熱電偶工作原理見圖1。
2 熱電偶使用壽命影響因素分析
根據(jù)熱電偶測溫原理，熱電偶的熱電勢只與兩接點(diǎn)溫度有關(guān)。但實(shí)際情況比較復(fù)雜，可能與使用的熱電偶直徑、種類、使用溫度、測量端接點(diǎn)、絕緣電阻等因素有關(guān)。但當(dāng)熱電偶型號(hào)確定后，其直徑、種類、使用溫度便已確定。現(xiàn)結(jié)合某斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)測溫故障，具體探討影響熱電偶使用壽命的主要因素。
2． 1 使用實(shí)例
某斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)通過調(diào)節(jié)燃油( 柴油) 噴射量，實(shí)現(xiàn)功率的無級(jí)調(diào)節(jié)，而缸內(nèi)溫度的變化直接關(guān)系到燃燒效率。缸內(nèi)溫度的變化值在發(fā)動(dòng)機(jī)功率閉環(huán)控制環(huán)節(jié)中作為前饋值，影響功率的精que控制輸出。為實(shí)時(shí)檢測各缸溫度變化，獲得#短的響應(yīng)時(shí)間，選用一種耐高溫，響應(yīng)快的鎧裝熱電偶，直接插入缸內(nèi)進(jìn)行溫度測量。由于使用環(huán)境惡劣，熱電偶選用K 型NiCr-Ni耐高溫鎧裝熱電偶，具體參數(shù)見表1。但該熱電偶在使用過程中，不斷發(fā)生故障，故障現(xiàn)象為端部燒毀，呈斷路狀態(tài); 且使用壽命很短，平均僅十幾個(gè)小時(shí)。
2． 2 測量端接點(diǎn)的影響
熱電偶測量端的構(gòu)成方式有焊接、鉚接、壓接和插入等方式，如圖2。
在實(shí)際操作中，由于熱電偶兩個(gè)熱電極經(jīng)焊接，可能成另一種合金，導(dǎo)致測量端溫度不一致，從而帶來誤差。因此，理論上當(dāng)兩個(gè)電極采用焊接、鉚接或壓緊在導(dǎo)體表面上時(shí)，兩電極應(yīng)盡量靠近，接點(diǎn)盡量小時(shí)，t≈t’，在溫度測量時(shí)，該誤差可以忽略不計(jì)，對(duì)一般測量精度無影響。
但通過對(duì)不同使用壽命的熱電偶解剖對(duì)比發(fā)現(xiàn): 壽命長的熱電偶其測量端如圖3( a) 所示，圓潤飽滿，焊接可靠。壽命短的熱電偶其測量端如圖3 ( b ～ d) 所示，其測量端接點(diǎn)存在明顯的焊接缺陷: 有焊縫、塌陷。
在熱電偶制造過程中，熱電偶的測量端通常采用第三種導(dǎo)體將兩個(gè)偶絲焊接在一起，當(dāng)焊點(diǎn)出現(xiàn)焊接缺陷時(shí)，熱電偶偶絲導(dǎo)熱，將引起其被測表面溫度場發(fā)生變化，造成測量端溫度不一致，產(chǎn)生測量誤差。如果長時(shí)間在高溫油污環(huán)境下工作，熱電偶會(huì)粘連油污; 當(dāng)缸內(nèi)燃燒不均勻時(shí)，火焰會(huì)導(dǎo)致熱電偶表面出現(xiàn)溫差，局部高溫; 對(duì)于有焊接缺陷的測量端，經(jīng)長時(shí)間工作，其焊接點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)開裂，焊點(diǎn)融毀，直至斷裂，如圖4 所示。#終影響熱電偶測溫可靠性及使用壽命。
2． 3 絕緣阻值的影響
2． 3． 1 理論分析
鎧裝熱電偶套管內(nèi)的絕緣材料主要為氧化鎂，但因其吸濕性大，端面袒露在外短時(shí)間內(nèi)絕緣電阻可降低到kΩ 以下。正常情況下，絕緣電阻與熱電勢之間的關(guān)系如式( 2) ，熱電偶測量等效圖如圖5
式中: EA為熱電偶的熱電勢; r1為偶絲和補(bǔ)償導(dǎo)線的電阻; r2為絕緣電阻; r3為檢測儀器內(nèi)阻; E0為熱電偶輸出電勢差。
理論上，當(dāng)r2極大時(shí)，絕緣電阻Ｒ 就等于r2;而當(dāng)r1很小時(shí)，Ｒ /( r1 + Ｒ) 近似為1。由于檢測儀器內(nèi)阻r3比較大，約為10 ～ 100 MΩ，所以該因素可以忽略，E0 = EA。
依據(jù)均質(zhì)回路定則，熱電偶測溫只與測量端與參考端兩端溫度有關(guān)，與中間溫度分布無關(guān)。可是由于鎧裝熱電偶的絕緣物是粉末狀MgO，溫度每升高100 °C，其絕緣電阻下降一個(gè)數(shù)量級(jí)，當(dāng)中間部位溫度較高時(shí)，必定有漏電流產(chǎn)生，致使在熱電偶輸出電勢中有分流誤差出現(xiàn)，由此會(huì)引起較大的測量誤差。當(dāng)熱電偶在高溫環(huán)境中持續(xù)工作時(shí)，絕緣物中殘留的濕氣受熱會(huì)劇烈膨脹，導(dǎo)致熱電偶測量端出現(xiàn)氣泡、破裂，#終在高溫火焰中燒損。
2． 3． 2 試驗(yàn)研究
為研究絕緣電阻與熱電偶?jí)勖年P(guān)系，在200只熱電偶中隨機(jī)抽取50 只熱電偶樣本進(jìn)行試驗(yàn)研究。經(jīng)初步測量和檢驗(yàn)后，在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)進(jìn)行一系列耐溫和壽命摸底試驗(yàn)。圖6 為熱電偶冷態(tài)絕緣電阻與其使用壽命的關(guān)系。由可知: 熱電偶絕緣性能的好壞直接影響其使用壽命，當(dāng)冷態(tài)絕緣電阻低于50 MΩ 時(shí)，使用壽命急劇縮短，冷態(tài)絕緣電阻越大，使用壽命越長。
結(jié)合熱電偶理論分析和壽命試驗(yàn)認(rèn)為: 為保證熱電偶的測量精度和使用壽命，在采購和檢驗(yàn)時(shí)，對(duì)絕緣電阻應(yīng)有嚴(yán)格明確的要求，具體如下:
( 1) 根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，鎧裝K 型熱電偶冷態(tài)絕緣電阻要求為: 室溫時(shí)，傳感器與外殼間絕緣電阻應(yīng)不小于100 MΩ，測量電壓為500 土50 VDC;
( 2) 當(dāng)絕緣電阻低于5 MΩ，為了減少分流誤差，延長使用壽命，應(yīng)盡可能采用直徑粗的鎧裝熱電偶，增加絕緣層厚度。
3 結(jié)論
( 1) 熱電偶測量端的焊接質(zhì)量和絕緣電阻的大小，是影響鎧裝熱電偶測溫精度和使用壽命的主要因素;
( 2) 冷態(tài)絕緣電阻測量是判斷熱電偶品質(zhì)好壞的#直接、簡便和有效的手段之一;
( 3) 為保證熱電偶測量精度和使用壽命，在采購和使用前，對(duì)絕緣電阻應(yīng)有嚴(yán)格的檢驗(yàn)要求。
