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铂铑热电偶

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铂铑热电偶丝的不均匀热电动势和测量

来源:www.wqhhs.com作者:发表时间:2020-01-03

    摘 要] 文章论述了偶丝不均匀热电动势的概念,间断式不均匀热电动势测试系统和测量方法。采用样品偶丝对间断式不均匀热电动势测试系统进行校验和考核,结果表明该装置具有实用性。

    采用铂铑热电偶丝制造的测温热电偶,具有测温精度高﹑复现性好﹑响应速度快等优良的热学、电学、机械学性能,在钢铁、冶金、航空航天等领域得到广泛应用。

    不均匀热电动势是衡量铂铑热电偶丝产品质量的一项重要指标。不均匀热电动势的存在造成整卷偶丝的热电特性发生变化,从而影响测温精度的一致性。不均匀热电动势的精确测量在监控偶丝热电动势变化情况、材料配对选择等方面具有特别重要的意义。

    1 不均匀热电动势
    热电偶丝产生不均匀热电动势的原因是热电极材料成分和应力分布不均匀,主要由以下因素引起: 在熔炼浇铸过程中合金组元或杂质元素的冶金偏析; 加工过程中形成的物理缺陷、机械损伤; 热处理和使用中合金组元或杂质元素的选择性挥发和氧化、脱溶沉淀; 由于固溶或化合从环境介质中吸入其他化学元素;材料内部应力分布不均匀; 晶粒大小和状态的不均匀。理论上讲,一支由两种成分不同的均质热电极材料组成的热电偶,产生的热电动势与热电极材料上的温度分布无关,是测量端和参考端温度差的函数:

 

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    式中: S A 和 S B 是热电极材料 A 和 B 的绝对塞贝克系数,T 1 、T 2 分别是热电偶参考端和工作端的温度。实际的热电极材料都不是绝对均质的,其塞贝克系数是热电极材料位置 X 和温度分布 T 的函数,此时产生的热电动势2.jpg是温度梯度。由此可以看出:当热电极材料的不均匀区位于温度梯度之中(即 ΔT≠0)时,不同丝段产生不同热电势,从而影响总热电动势的精确性,造成采用该丝材制造的热电偶测温精度不一致。因此,在实际生产中,人们总希望不均匀热电动势越小越好。

    目前,国内厂家普遍按照国标规定 [1 -4] 对不均匀热电动势测量:对同一卷(盘)偶丝头尾所取试样,经清洗退火处理后,将其一端和标准热电偶的测量端用直径为 0. 2 ~ 0. 3mm 的清洁铂丝捆扎在一起,放进热电偶检定炉内,在测量端温度为 1084. 62℃ ± 10℃ (S、R型)或 1200℃ ±10℃(B 型)和参考端温度为 0℃时,用同名极法测量热电动势,热电动势的最大差值为该卷(盘)偶丝的不均匀热电动势值。在实际生产中,一卷偶丝的最大不均匀热电动势不一定出现在头尾,而是可能在任何部位。比较准确地反映一卷偶丝的不均匀性是采用整卷偶丝依次剪 1m 一段与同名极标准偶丝比较,测出最大不均匀性热电动势,但这种方法具有破坏性,不能应用于实际生产中。近年来,重庆仪表材料研究所开发了间断式不均匀热电动势测试系统用于检测整卷偶丝热电动势变化情况,确定偶丝不均匀性热电动势。

    2 间断式不均匀热电动势测试系统
    根据塞贝克原理[5] :两种不同金属构成的回路中,如果两种金属的结点处温度不同,该回路中就会产生一个温差电动势。由一种均质导体组成闭合回路,在温度梯度下是不会产生热电动势的。若由一根热电极材料组成的闭合回路在温度梯度下有热电动势输出,说明该热电极是不均匀的;产生的热电动势越大,说明该热电极的成分或应力分布越不均匀。

    重庆仪表材料研究所根据该原理研发的间断式不均匀热电动势测试系统可以对热电偶丝整个长度范围热电动势波动幅度进行有效测量和评估,这是一种非破坏性检测控制技术。然后根据用户需求将两根偶丝选择配对,可以确保产品在整个长度范围内符合用户精度要求。系统框线图如图 1 [6] 所示,主要由预热装置、测试炉、计数复绕装置、控制系统、信号采集和数据分析评估系统 5 部分组成。具体做法如下:偶丝经过预热处理后,在测试炉内,通过被检偶丝和标准电极断开或接触,可以测量整卷偶丝任意部位相对于标准同名极偶丝的相对热电动势值,将其绘制成曲线图,从而得到整卷偶丝从头到尾各点之间热电动势高低分布曲线。从图中可以直观看出偶丝整个长度范围内 EMF 波动情况,确定出△EMF,完成对单极偶丝热电均匀性的量化评估[6] 。该测试系统具有以下特点:(1)整卷丝不用剪断,可以测量任意长度偶丝的不均匀热电动势值;(2)更换电极方便,通过电极测量端的标准电极,可测量PtRh10、PtRh6、PtRh13 的不均匀热电动势;(3)测量时静态接触,不测量时悬空走丝,不损伤偶丝的表面质量。

 

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    3 测量结果和讨论
    采用该系统测量的1084. 62℃ 时整卷0. 5mmPtRh10 偶丝的相对热电动势数据见表 1,测试采样间隔为 2m。

 

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    由表1 可以看出,整卷偶丝的相对热电势最大值和最小值分别位于序号为16 和24 的采样点处,整卷偶丝的不均匀热电动势为: ( -8μV) -( -34μV) =26μV。

    在上述各采样点处剪断取样,按 GB/T 16701. 1—1996 采用同名极比较法测量其相对标准同名极的相对热电势值。在温度为 1084. 88℃ 的配对热电势数据如表 2 所示。

 

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    表 2 数据真实反映了整卷 PtRh10 偶丝从头到尾热电动势高低分布情况,整卷偶丝的相对热电势最大值和最小值同样分别位于序号为 16 和 24 的采样点处,整卷偶丝的不均匀热电动势为: ( - 8μV) -( -34μV) =26μV。从表1、表2 数据可以看出,除了头尾几个采样点外,采用两种方法测量的整卷 PtRh10偶丝相对热电动势变化的规律性基本是一致的。造成表 1、表 2 数据差异的原因是由于: 两种测试方法的采样点不完全一致。

    在实际生产过程中,为了精确反映整卷偶丝从头到尾各点之间热电动势高低分布情况,当采用间断式不均匀热电动势测试系统测试完毕后在相对热电动势最大、最小、热电势突变处等关键点取样外,还在偶丝头、尾若干采样点等处取样,按 GB/T 16701—1996 进行线性测试,以精确确定整卷偶丝的不均匀热电动势。

    4 结论
    本文论述偶丝不均匀热电动势的概念、成因,介绍了间断式不均匀热电动势系统及其测量方法,实践证明该系统运行方便,可靠,不需剪断偶丝,适用于生产规模上检验铂铑热电偶丝的不均匀热电势,效果良好。