淺析耐火極限試驗(yàn)中試件表面測(cè)溫?zé)犭娕紲囟葐?wèn)題

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（中國(guó)建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司，北京 100024）

1 熱電偶的工作原理

熱電偶是利用塞貝克熱電效應(yīng)制成的。兩種不同材料的導(dǎo)體組成閉合回路，回路的兩端分別稱作熱端（工作端）和冷端（自由端）。當(dāng)這兩端溫度不同時(shí)，整個(gè)回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，此電動(dòng)勢(shì)至于熱電極的材料和兩端的溫度有關(guān)，與熱電偶的形狀和幾何尺寸無(wú)關(guān)。回路中總電動(dòng)勢(shì)的方向與熱電偶兩端溫度有關(guān)。倘若熱電偶的兩極材料相同，則兩點(diǎn)處接觸電勢(shì)為零，而兩熱電極溫差電勢(shì)大小相等，方向相反，因此回路總熱電勢(shì)等于零。如果熱電偶兩端溫度相同，則兩熱電極的溫差電勢(shì)等于零，而兩接點(diǎn)處的接觸電勢(shì)大小相等，方向相反，回路中總熱電勢(shì)也等于零。因此，只有當(dāng)熱電偶兩接觸點(diǎn)溫度不同時(shí)才有熱電勢(shì)產(chǎn)生。用測(cè)量?jī)x表測(cè)得熱電勢(shì)的數(shù)值后，便可間接知道相應(yīng)的溫度或者直接由測(cè)量?jī)x表指示出溫度[1]，如圖1所示。

圖1 熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)

2 耐火極限試驗(yàn)中熱電偶測(cè)溫問(wèn)題

本文耐火極限試驗(yàn)中使用的試件背火面測(cè)溫?zé)犭娕紴殒囥t-鎳硅（K型）熱電偶。為了得到良好的熱接觸，在熱電偶工作端低溫焊接直徑12mm、厚0.2mm的圓形銅片（圖2）。試驗(yàn)過(guò)程中用長(zhǎng)寬均為30mm、厚度2mm的石棉襯墊通過(guò)耐熱膠將熱電偶工作端銅片固定在試件表面[2]（圖3）控制系統(tǒng)默認(rèn)每隔一分鐘采集一次溫度信息，繪制溫度-時(shí)間曲線。但在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中偶爾會(huì)遇到測(cè)溫?zé)犭娕紲囟雀叩吞S、溫度偏離實(shí)際，誤差過(guò)大等問(wèn)題。以上問(wèn)題嚴(yán)重影響試驗(yàn)進(jìn)程以及最終對(duì)試驗(yàn)試件的品質(zhì)判定。就本次試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，采用垂直構(gòu)件耐火試驗(yàn)爐，安裝樣品到試驗(yàn)框架上往往需要耗費(fèi)大量時(shí)間。由于熱電偶的溫度問(wèn)題導(dǎo)致試驗(yàn)中止，則需要拆毀原有樣品重新安裝完好的新樣品。不僅會(huì)浪費(fèi)人力物力，而且也會(huì)延長(zhǎng)試驗(yàn)周期給客戶帶來(lái)不必要的煩惱。

圖2 圓銅片的測(cè)量接點(diǎn)

圖3 圓銅片和隔熱墊

3 耐火極限試驗(yàn)中熱電偶溫度跳躍、偏離問(wèn)題分析

1) 熱電偶貼點(diǎn)過(guò)程不嚴(yán)謹(jǐn)

貼點(diǎn)時(shí)用隔熱墊固定熱電偶在試件表面需要涂抹耐高溫膠，并且在圓銅片和試件之間及圓銅片與隔熱墊之間不應(yīng)有任何膠，允許存在十分細(xì)小的空隙。然而實(shí)際人工操作過(guò)程中很難避免操作誤差導(dǎo)致銅片粘膠、隔熱墊固定不嚴(yán)銅片與試件存在間隙、銅片與試件接觸面有污物等。

2) 熱電偶布置位置不正確

熱電偶的布置應(yīng)距離熱氣流、結(jié)合點(diǎn)和貫通連接緊固件（如螺釘、銷釘?shù)龋?、以及?huì)被穿過(guò)試件的熱煙氣直接沖擊的位置不應(yīng)小于50mm。熱電偶不應(yīng)貼在會(huì)產(chǎn)生較高溫度類似螺釘、釘子或夾子等緊固件上。不應(yīng)貼在表面直徑小于12mm非貫通緊固件上。當(dāng)不注意以上要求時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生溫度偏離的現(xiàn)象。

3)熱電偶與巡檢儀接觸不良

之前在試驗(yàn)中遇到新替換的熱電偶開(kāi)始時(shí)比較準(zhǔn)確，使用十多次后開(kāi)始出現(xiàn)溫度偏離。連續(xù)更換三家熱電偶供應(yīng)商，溫度偏離問(wèn)題一直沒(méi)有解決。利用排除法，選擇更換巡檢儀接口、清理接口塵土。最終問(wèn)題得到了解決，因此推斷此次問(wèn)題誘因是熱電偶與巡檢儀接口處受塵土等污染產(chǎn)生的干擾。

4）熱電偶的劣化

熱電偶在使用中由于受到環(huán)境、腐蝕性氣體等因素的影響，常常會(huì)出現(xiàn)老化的現(xiàn)象，也就是常說(shuō)的熱電偶的劣化。熱電偶的劣化是長(zhǎng)期量變過(guò)程，將隨熱電偶的種類、直徑、使用溫度、環(huán)境、時(shí)間的不同而變化。劣化將會(huì)改變熱電偶的熱電特性或超出允許誤差、脆斷[3]。

5）測(cè)量回路接地，串入附加地電勢(shì)

試件安裝過(guò)程中，安裝人員為了固定試件會(huì)使用槽鋼、鋼筋等焊接在框架上。這樣就無(wú)形中串入了附加地電勢(shì)。在熱電偶回路中存在著四個(gè)電勢(shì)，即兩個(gè)接觸電動(dòng)勢(shì)和兩個(gè)溫差電動(dòng)勢(shì)。熱電偶回路的總電動(dòng)勢(shì)為：

圖4 熱電偶

在熱電偶回路（圖4）中同種材料溫差電動(dòng)勢(shì)只占極小部分，且它們正負(fù)抵消一部分，因此可以忽略不計(jì)，故式（1）可以簡(jiǎn)化成式（2）：

式（2）表明，熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)只隨熱端（工作端）溫度的變化而變化，即一定的熱電動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)著一定的溫度。我們通過(guò)測(cè)量熱電動(dòng)勢(shì)的方法就達(dá)到了測(cè)溫的目的。當(dāng)回路接地、串入附加地電勢(shì)以后，測(cè)eAB(t)可能等于零或者小于eAB(t0)，這樣EAB(t,t0)將出現(xiàn)負(fù)數(shù)，并且極不穩(wěn)定[1]。

4 耐火極限試驗(yàn)中熱電偶溫度跳躍、偏離問(wèn)題解決

1)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求貼點(diǎn)

貼點(diǎn)前認(rèn)真清理銅片以及試件上接觸位置的污物。若使用耐高溫膠和石棉襯墊輔助固定熱電偶時(shí)，操作過(guò)程中盡量避免耐高溫膠污染接觸點(diǎn)。隔熱襯墊均勻涂膠將銅片固定在試件上，盡量使銅片與試件貼合。

2)遠(yuǎn)離干擾因素布置熱電偶

與安裝試件的施工人員充分溝通，了解試驗(yàn)試件的結(jié)構(gòu)。標(biāo)注安裝中輕鋼龍骨、螺釘、銷釘具體位置。除以上關(guān)鍵點(diǎn)外還要避免在試樣接縫處或可能的煙氣沖擊處貼點(diǎn)。

3)定期維護(hù)熱電偶和巡檢儀

由于本實(shí)驗(yàn)室巡檢儀和熱電偶的接口留在了爐體旁，場(chǎng)地限制導(dǎo)致施工安裝活動(dòng)在室內(nèi)進(jìn)行。雖然對(duì)巡檢儀做了設(shè)備箱進(jìn)行封裝，但難免施工過(guò)程中會(huì)有塵土進(jìn)入到箱體里。因此建議在設(shè)備設(shè)計(jì)之初對(duì)巡檢儀等設(shè)備位置進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，盡量遠(yuǎn)離污染源和干擾源。條件允許的話對(duì)熱電偶與巡檢儀接口處進(jìn)行密封處理，盡量降低環(huán)境污染對(duì)熱電偶的干擾。

4)延緩熱電偶的劣化

熱電偶的劣化現(xiàn)象是不可避免的，因此只能延緩劣化進(jìn)程。為了準(zhǔn)確可靠地測(cè)量溫度，必須選擇引起劣化最小的使用條件和適宜的熱電偶材質(zhì)，并能準(zhǔn)確地推斷劣化進(jìn)展的情況，及時(shí)地更換熱電偶。

5)避免接地等現(xiàn)象

接地現(xiàn)象主要是出現(xiàn)在試件安裝施工過(guò)程中，因此作為試驗(yàn)人員應(yīng)該時(shí)刻關(guān)注并了解安裝人員的具體施工內(nèi)容、試件結(jié)構(gòu)。如安裝過(guò)程中出現(xiàn)可能對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生干擾的結(jié)構(gòu)，應(yīng)及時(shí)與廠家或者施工人員進(jìn)行溝通排除干擾現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

本文只是針對(duì)耐火極限試驗(yàn)過(guò)程中熱電偶測(cè)溫偏離，溫度跳躍問(wèn)題的原因進(jìn)行了分析。通過(guò)對(duì)可能出現(xiàn)問(wèn)題的分析和處理，盡可能使試驗(yàn)過(guò)程更加穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加嚴(yán)謹(jǐn)。有助于提升試驗(yàn)質(zhì)量和效率，并有助于降低運(yùn)行成本。