易安裝密封的面接觸式熱電偶

孫財(cái)新，田 芳,馬 莉

(國(guó)家核電技術(shù)有限公司北京研發(fā)中心,北京 102209)

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易安裝密封的面接觸式熱電偶

孫財(cái)新1，田 芳,馬 莉

(國(guó)家核電技術(shù)有限公司北京研發(fā)中心,北京 102209)

目前工業(yè)上常用的接觸式表面溫度測(cè)量傳感器的不足主要表現(xiàn)在由測(cè)量端和被測(cè)表面之間接觸熱阻引起的誤差較大，由感溫點(diǎn)與被測(cè)表面距離引起的較大，響應(yīng)較慢，安裝具有一定局限性。針對(duì)該不足，設(shè)計(jì)了一種易安裝密封的面接觸式熱電偶，技術(shù)特點(diǎn)為：將熱電偶絲與金屬感溫片具有一定長(zhǎng)度的焊接，使用絕緣套將感溫片與鎧裝熱電偶隔離開(kāi)。隨后對(duì)制作成的8支熱電偶進(jìn)行校驗(yàn)、檢定，并將8支熱點(diǎn)偶安裝在一個(gè)桶狀結(jié)構(gòu)的底板上相互對(duì)比，說(shuō)明其測(cè)量的精度、一致性較好。

接觸式；熱電偶；感溫片；絕緣套；校驗(yàn)；一致性

0 引言

目前，物體表面溫度的測(cè)量在很多行業(yè)的科學(xué)研究和工程應(yīng)用場(chǎng)合中都有應(yīng)用，如加熱爐內(nèi)工件的表面溫度，在飛機(jī)壁面的溫度測(cè)量，在航空航天科研中飛行器表面溫度測(cè)量等。

物體表面溫度的測(cè)量方法有接觸法和非接觸法。用接觸法來(lái)測(cè)量物體表面溫度時(shí)，假設(shè)被測(cè)表面同周?chē)橘|(zhì)接觸并處于熱穩(wěn)定狀態(tài)，且其表面的溫度高于環(huán)境溫度。當(dāng)傳感器接觸被測(cè)物體表面時(shí)，由于沿傳感器導(dǎo)熱產(chǎn)生熱量損失會(huì)干擾物體表面原溫度場(chǎng)分布，使得被測(cè)表面和周?chē)橘|(zhì)的等溫線(xiàn)發(fā)生畸變，引入測(cè)量誤差，該誤差可分為三部分[1-4]：

(1) 原溫度場(chǎng)變形引起的第一部分誤差：當(dāng)傳感器與被測(cè)表面接觸時(shí)，由于傳感器的導(dǎo)熱使得在測(cè)點(diǎn)處從表面導(dǎo)出的熱流比其他地方更集中，以致物體表面溫度下降而產(chǎn)生誤差，將該誤差稱(chēng)為第一部分誤差。減小該誤差的方法有增加傳感器和被測(cè)對(duì)象之間的接觸面積，減小通過(guò)傳感器從測(cè)量接觸點(diǎn)傳導(dǎo)出的熱流等。

(2) 由傳感器和被測(cè)表面熱阻引起的第二部分誤差：由于傳感器測(cè)量端和被測(cè)表面之間存在熱阻，這主要由非理想熱接觸所引起，由此引起溫度降而產(chǎn)生的誤差稱(chēng)為第二部分誤差。該誤差引起的主要因素是傳感器和被測(cè)表面的熱阻，該熱阻大小與被測(cè)表面的潔凈和光滑程度、被測(cè)表面與傳感器材料的剛性以及測(cè)量時(shí)施加在傳感器上力的大小有關(guān)，理論計(jì)算很難。減小該部分誤差的主要措施有：增加施加在傳感器上的力，清除接觸表面的油脂、氧化物或其他污染物，在傳感器或被測(cè)表面涂覆高導(dǎo)熱性介質(zhì)等。

(3) 由感溫點(diǎn)與被測(cè)點(diǎn)不同引起的第三部分誤差：由于接觸式傳感器都存在一個(gè)感溫點(diǎn)，該感溫點(diǎn)與被測(cè)表面之間通常有一定距離并非完全貼合，致使感溫點(diǎn)處溫度與被測(cè)點(diǎn)溫度不盡相同， 將這部分誤差稱(chēng)為第三部分誤差。該誤差主要與傳感器的結(jié)構(gòu)有關(guān)，減小該部分誤差的主要措施有：提高傳感器材料的導(dǎo)熱系數(shù)，減小傳感器的接點(diǎn)和被測(cè)表面的距離。

1 目前接觸式表面溫度傳感器普遍存在的問(wèn)題及原因

用接觸式方法來(lái)測(cè)量物體表面溫度時(shí)，目前工業(yè)通常采用熱電偶或鉑電阻表面溫度傳感器。該種溫度傳感器是將普通鎧裝熱電偶或鉑電阻焊接在一個(gè)金屬薄片上，金屬薄片通過(guò)粘合劑與測(cè)量位置緊密粘合，從而測(cè)量表面溫度。該種表面溫度傳感器使用簡(jiǎn)單，成本較低，通過(guò)焊接金屬薄片可以降低上述第一部分誤差，但同時(shí)也有以下幾個(gè)問(wèn)題：

(1)由測(cè)量端和被測(cè)表面之間接觸熱阻引起的第二部分誤差較大由于該種溫度傳感器焊接了金屬薄片并使用高傳熱系數(shù)的粘合劑進(jìn)行粘合，但金屬薄片本身、粘合劑以及焊接處還是會(huì)增加接觸熱阻從而引入一定的誤差[5]，導(dǎo)致第二部分誤差較大。

(2)由感溫點(diǎn)與被測(cè)表面距離引起的第三部分誤差較大。由于該種溫度傳感器焊接了金屬撥片并使用高傳熱系數(shù)的粘合劑進(jìn)行粘合，但金屬薄片本身具有一定厚度，粘合劑也會(huì)帶來(lái)一定厚度，再加上焊接以及熱電偶或鉑電阻本身測(cè)量點(diǎn)和焊接處的距離，導(dǎo)致第三部分較大。

(3)響應(yīng)較慢。該種溫度傳感器在普通熱電偶或鉑電阻的基礎(chǔ)上又增加了金屬薄片、粘合劑等，使得響應(yīng)時(shí)間增大，無(wú)法使用在響應(yīng)時(shí)間要求較高的場(chǎng)合。

(4)安裝有一定的局限。該種溫度傳感器大多安裝在一些溫度不太高、焊接或粘合方便、較少腐蝕或較少濕氣的地點(diǎn)，尤其適合外表面溫度測(cè)量；現(xiàn)在，隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，測(cè)量溫度的需求越來(lái)越紛雜，出現(xiàn)了一些現(xiàn)有工業(yè)表面測(cè)溫傳感器不宜安裝的場(chǎng)合需要測(cè)量表面溫度，比如測(cè)量某板內(nèi)表面溫度，該板內(nèi)表面不易開(kāi)槽、有腐蝕且溫度較高、不易焊接，則普通熱電偶和普通表面測(cè)溫傳感器很難安裝使用。

除此之外，該種工業(yè)常用的表面溫度傳感器只是是將普通熱電偶或鉑電阻與撥片焊接起來(lái)，二者之間焊接的接觸面積很有限，因而，這種結(jié)構(gòu)減小第一部分誤差也很有限。

除這種常用的接觸式表面溫度傳感器外，還有一些在特定行業(yè)或場(chǎng)合專(zhuān)用的，飛機(jī)試驗(yàn)飛行期間對(duì)各種結(jié)構(gòu)上表面溫度測(cè)量使用的柔性溫度傳感器、鍋爐管表面測(cè)溫使用的剛性帶夾具表面溫度傳感器，都具有專(zhuān)用場(chǎng)合，并且也存在上述問(wèn)題中的一個(gè)或多個(gè)。

2 易安裝密封面接觸式熱電偶的關(guān)鍵技術(shù)

該易安裝密封面接觸式熱電偶根據(jù)前面誤差理論分析，結(jié)合現(xiàn)在工業(yè)常用接觸式表面溫度傳感器的局限性和不足設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

現(xiàn)階段，已研究出的可以確定的花椒精油主要成分包含了烯烴類(lèi)化合物、醇類(lèi)化合物、酮類(lèi)化合物和酯類(lèi)化合物等多種物質(zhì)。

圖1 面接觸測(cè)量熱電偶設(shè)計(jì)圖

該設(shè)計(jì)中，普通熱電偶偶絲穿過(guò)絕緣套，焊接在前面的金屬薄圓感溫片上，兩根偶絲分別跟感溫片焊接一定長(zhǎng)度后焊接來(lái)進(jìn)一步減小第一部分誤差，絕緣套將金屬保護(hù)鎧與接觸測(cè)量面的感溫片隔開(kāi)。

(1)有效降低溫度場(chǎng)變形引起的第一部分誤差。該熱電偶使用了一種薄金屬片作為感溫片，并將兩根偶絲分別跟感溫片焊接一定長(zhǎng)度，可有效增加傳感器和被測(cè)對(duì)象之間的接觸面積，減小通過(guò)該截面的熱流密度，再加上使用了絕緣套將金屬保護(hù)鎧與感溫片隔開(kāi)，有效降低了在保護(hù)鎧上的熱損失，由此，接觸式表面溫度測(cè)量溫度場(chǎng)變形引起的第一部分誤差可有效降低。

(2)有效降低測(cè)量端和被測(cè)表面之間接觸熱阻引起的第二部分誤差。由于該熱電偶將熱電偶偶絲直接焊接在金屬感溫片上，該感溫片非常薄且導(dǎo)熱性能很好，從而使得測(cè)量端和被測(cè)表面之間的接觸熱電偶較前面提到的工業(yè)常用的接觸式表面溫度傳感器有所降低，由此引起的第二部分誤差也有效降低。

(3)有效降低由感溫點(diǎn)與被測(cè)表面距離引起的第三部分誤差。由于該熱電偶將熱電偶偶絲直接焊接在金屬感溫片上，該感溫片非常薄，從而使得測(cè)量端和被測(cè)表面之間的距離較前面提到的工業(yè)常用的接觸式表面溫度傳感器有所減少，由此引起的第三部分誤差也有效降低。

(4)響應(yīng)較快。該熱電偶將熱電偶偶絲直接焊接在金屬感溫片上，該感溫片非常薄且導(dǎo)熱性能很好，相對(duì)普通的結(jié)殼式熱電偶而言，該熱電偶與被測(cè)面的接觸面積增大，有點(diǎn)接觸變成了面接觸；相對(duì)工業(yè)常用的接觸式表面溫度傳感器而言，該熱電偶節(jié)省了導(dǎo)熱粘合劑、普通鎧裝熱電偶絕緣部分等對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響，使得響應(yīng)時(shí)間較小。

(5)與普通熱電偶通用的安裝性能。該熱電偶與普通的鎧裝熱電偶、接殼熱電偶的區(qū)別主要在于感溫端，固定、密封等可參考或使用普通熱電偶的方式。該熱電偶尤其適用于測(cè)量較厚金屬板的內(nèi)表面溫度，特別是一些在內(nèi)表面不易開(kāi)槽的，該熱電偶安裝可安裝密封在測(cè)量外表面，安裝時(shí)只需要打直孔至測(cè)溫位置，不需要在內(nèi)表面開(kāi)槽。

3 熱電偶校準(zhǔn)

使用T型熱電偶偶絲制作8支易安裝密封面接觸式熱電偶，抽選6支按照J(rèn)JG 368-2000《工作用銅-銅鎳熱電偶檢定規(guī)程》中規(guī)定操作方法，使用二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻作為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，參考端為0℃，將制成的熱電偶與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)一起置入恒溫槽內(nèi)，讀取溫度值并計(jì)算誤差，共取40℃、80℃、120℃、150℃、200℃5個(gè)溫度點(diǎn)，1個(gè)測(cè)量循環(huán)內(nèi)每個(gè)溫度點(diǎn)測(cè)量次數(shù)為4次，取其平均值，以此得到的誤差如表所示。

表1 易安裝密封面接觸式熱電偶校驗(yàn)誤差表 ℃

另外兩只送至華東過(guò)量計(jì)量測(cè)試中心進(jìn)行檢定，檢定溫度點(diǎn)同上，以此得到的誤差如表2所示。

表2 易安裝密封面接觸式熱電偶檢定誤差表 ℃

由表1、表2校驗(yàn)和檢定誤差結(jié)果可以看出，該已安裝密封面接觸式熱電偶誤差在T型熱電偶Ⅰ級(jí)精度要求范圍之內(nèi)，精度較高。

4 多個(gè)易安裝密封的面接觸式熱電偶互相對(duì)比校驗(yàn)

將制作好的8只易安裝密封面接觸式熱電偶安裝在一個(gè)桶裝裝置底板上，該裝置內(nèi)徑800 mm，底板為具備一定厚度的紫銅平面板，底板打直孔，距離內(nèi)表面1 mm，在桶內(nèi)通入常溫水，穩(wěn)定一段時(shí)間，讀取各熱電偶在注入水前和注入水穩(wěn)定后所測(cè)溫度值如表3所示。

表3 底板各面接觸式熱電偶讀數(shù)對(duì)比 ℃

在注入水前，各熱電偶所測(cè)溫度為室溫下該底板穩(wěn)定后的溫度，各熱電偶所測(cè)數(shù)值中最大值與最小值最大差為0.173；注入水穩(wěn)定后，各熱電偶所測(cè)數(shù)值中最大值與最小值差為0.124。在注入水前和注入水后的穩(wěn)定狀態(tài)下，可以認(rèn)為銅板表面各處溫度相同，這種情況下各面接觸熱電偶的最大相互偏差為0.173，一致性較好。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)目前常用的面接觸式熱電偶存在響應(yīng)慢、由測(cè)量端和被測(cè)表面之間接觸熱阻引起的誤差較大、由感溫點(diǎn)與被測(cè)表面距離引起的誤差較大、安裝具有一定局限性等缺陷。

(2)易安裝密封面接觸式熱電偶通過(guò)將熱電偶絲與金屬感溫片具有一定長(zhǎng)度的焊接、使用絕緣套將感溫片與鎧裝熱電偶隔離開(kāi)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)降低溫度場(chǎng)變形引起的第一部分誤差、由測(cè)量端和被測(cè)表面之間接觸熱阻引起的第二部分誤差、由感溫點(diǎn)與被測(cè)表面不一致引起的第三部分誤差，使得響應(yīng)變快，同時(shí)可使用常用熱電偶的固定安裝密封方式進(jìn)行固定安裝和密封。

[1] MICHALSKI L,ECKERSDORF K,KUCHARSKI J,et al.Temperature Measurement.2nd ed.England: John.Wiley & Sons Ltd,2001.

[2] 全國(guó)溫度計(jì)量委員會(huì),廖里,賀宗琴.表面溫度測(cè)量.1版.北京:中國(guó)計(jì)量出版社,2009.

[3] 楊永軍.溫度測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用-物體表面溫度測(cè)量.計(jì)測(cè)技術(shù),2009,29(6):64～68.

[4] 楊永軍,蔡靜.特殊條件下的溫度測(cè)量.1版.北京:中國(guó)計(jì)量出版社,2009.

[5] 周登錦,陳子騫,徐標(biāo),梁顯有.提高接觸式表面溫度計(jì)校準(zhǔn)可靠性的方法.上海計(jì)量測(cè)試,2011,224(4):46～48.

Easy Installation and Sealing Surface Contact Thermocouple

SUN Cai-xin,TIAN Fang,MA Li

(State Nuclear Power Technology R&D Center,Beijing 102209,China)

The deficiencies of contact surface temperature measurement sensor include the error caused by contact thermal resistance,the error caused by large distance between measured surface and sensor measurement point,slow response,and the limitations of installation.In view of these limitations,an easy installation and sealing surface contact thermocouple was designed.The technical features were heating the thermocouple wire on a metal piece with a certain length and using insulation sleeve to isolate the thermal slices from thermocouple.Then eight thermocouples were verified,installed on the bottom of a barrel structure and contrasted with each other.Results show that the measurement consistency and precision are good.

contact; thermocouple; thermal slices; insulation sleeve; verification; consistency

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(2010ZX06002-004)

2014-09-18 收修改稿日期：2015-02-12

TH811

A

1002-1841(2015)07-0108-03

孫財(cái)新(1986— )，助理工程師，碩士，研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù)。E-mail：suncaixin@163.com. 田 芳(1972— )，高級(jí)工程師(教授級(jí))，碩士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。E-mail：tianfang@snptrd.com.