摘要: 針對(duì)鎧裝熱電偶在使用過(guò)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(cè)量端的焊接質(zhì)量和絕緣電阻大小是影響鎧裝熱電偶測(cè)溫精度和使用壽命的主要因素。指出: 為保證熱電偶的測(cè)溫精度和使用壽命，在采購(gòu)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(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)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(lái)檢測(cè)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(zhǎng)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(wú)法精que測(cè)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(wú)法定位。國(guó)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(cè)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(cè)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(shì)，或稱為塞貝克電勢(shì)。這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，其中，直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端( 也稱為測(cè)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(shì)。熱電偶工作原理見(jiàn)圖1。
2 熱電偶使用壽命影響因素分析
根據(jù)熱電偶測(cè)溫原理，熱電偶的熱電勢(shì)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(cè)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(cè)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(guò)調(diào)節(jié)燃油( 柴油) 噴射量，實(shí)現(xiàn)功率的無(wú)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(cè)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(cè)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(jiàn)表1。但該熱電偶在使用過(guò)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(cè)量端接點(diǎn)的影響
熱電偶測(cè)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(cè)量端溫度不一致，從而帶來(lái)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(cè)量時(shí)，該誤差可以忽略不計(jì)，對(duì)一般測(cè)量精度無(wú)影響。
但通過(guò)對(duì)不同使用壽命的熱電偶解剖對(duì)比發(fā)現(xiàn): 壽命長(zhǎng)的熱電偶其測(cè)量端如圖3( a) 所示，圓潤(rùn)飽滿，焊接可靠。壽命短的熱電偶其測(cè)量端如圖3 ( b ～ d) 所示，其測(cè)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(guò)程中，熱電偶的測(cè)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(cè)表面溫度場(chǎng)發(fā)生變化，造成測(cè)量端溫度不一致，產(chǎn)生測(cè)量誤差。如果長(zhǎng)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(cè)量端，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間工作，其焊接點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂，焊點(diǎn)融毀，直至斷裂，如圖4 所示。#終影響熱電偶測(cè)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(shì)之間的關(guān)系如式( 2) ，熱電偶測(cè)量等效圖如圖5
式中: EA為熱電偶的熱電勢(shì); r1為偶絲和補(bǔ)償導(dǎo)線的電阻; r2為絕緣電阻; r3為檢測(cè)儀器內(nèi)阻; E0為熱電偶輸出電勢(shì)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(cè)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(cè)溫只與測(cè)量端與參考端兩端溫度有關(guān)，與中間溫度分布無(wú)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(shì)中有分流誤差出現(xiàn)，由此會(huì)引起較大的測(cè)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(cè)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(cè)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(zhǎng)。
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(cè)量精度和使用壽命，在采購(gòu)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(cè)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(zhǎng)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(cè)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(cè)溫精度和使用壽命的主要因素;
( 2) 冷態(tài)絕緣電阻測(cè)量是判斷熱電偶品質(zhì)好壞的#直接、簡(jiǎn)便和有效的手段之一;
( 3) 為保證熱電偶測(cè)量精度和使用壽命，在采購(gòu)和使用前，對(duì)絕緣電阻應(yīng)有嚴(yán)格的檢驗(yàn)要求。
