各種鉑銠合金電偶絲的不均勻熱電動(dòng)勢(shì)和檢測(cè)方法

     下文主要對(duì)偶絲不均勻熱電動(dòng)勢(shì)的概念，間斷式不均勻熱電動(dòng)勢(shì)測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)量方法。采用樣品偶絲對(duì)間斷式不均勻熱電動(dòng)勢(shì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)和考核，結(jié)果表明該裝置具有實(shí)用性。

    采用鉑銠熱電偶絲制造的測(cè)溫?zé)犭娕?，具有測(cè)溫精度高﹑復(fù)現(xiàn)性好﹑響應(yīng)速度快等優(yōu)良的熱學(xué)、電學(xué)、機(jī)械學(xué)性能，在鋼鐵、冶金、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

    不均勻熱電動(dòng)勢(shì)是衡量鉑銠熱電偶絲產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。不均勻熱電動(dòng)勢(shì)的存在造成整卷偶絲的熱電特性發(fā)生變化，從而影響測(cè)溫精度的一致性。不均勻熱電動(dòng)勢(shì)的精確測(cè)量在監(jiān)控偶絲熱電動(dòng)勢(shì)變化情況、材料配對(duì)選擇等方面具有特別重要的意義。

    1 不均勻熱電動(dòng)勢(shì)
    熱電偶絲產(chǎn)生不均勻熱電動(dòng)勢(shì)的原因是熱電極材料成分和應(yīng)力分布不均勻，主要由以下因素引起: 在熔煉澆鑄過(guò)程中合金組元或雜質(zhì)元素的冶金偏析; 加工過(guò)程中形成的物理缺陷、機(jī)械損傷; 熱處理和使用中合金組元或雜質(zhì)元素的選擇性揮發(fā)和氧化、脫溶沉淀; 由于固溶或化合從環(huán)境介質(zhì)中吸入其他化學(xué)元素;材料內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻; 晶粒大小和狀態(tài)的不均勻。理論上講，一支由兩種成分不同的均質(zhì)熱電極材料組成的熱電偶，產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)與熱電極材料上的溫度分布無(wú)關(guān)，是測(cè)量端和參考端溫度差的函數(shù):

    式中: S A 和 S B 是熱電極材料 A 和 B 的絕對(duì)塞貝克系數(shù)，T 1 、T 2 分別是熱電偶參考端和工作端的溫度。實(shí)際的熱電極材料都不是絕對(duì)均質(zhì)的，其塞貝克系數(shù)是熱電極材料位置 X 和溫度分布 T 的函數(shù)，此時(shí)產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì):

是溫度梯度。由此可以看出:當(dāng)熱電極材料的不均勻區(qū)位于溫度梯度之中(即 ΔT≠0)時(shí)，不同絲段產(chǎn)生不同熱電勢(shì)，從而影響總熱電動(dòng)勢(shì)的精確性，造成采用該絲材制造的熱電偶測(cè)溫精度不一致。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，人們總希望不均勻熱電動(dòng)勢(shì)越小越好。

    目前，國(guó)內(nèi)廠家普遍按照國(guó)標(biāo)規(guī)定 ［1 －4］ 對(duì)不均勻熱電動(dòng)勢(shì)測(cè)量:對(duì)同一卷(盤)偶絲頭尾所取試樣，經(jīng)清洗退火處理后，將其一端和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的測(cè)量端用直徑為 0. 2 ～ 0. 3mm 的清潔鉑絲捆扎在一起，放進(jìn)熱電偶檢定爐內(nèi)，在測(cè)量端溫度為 1084. 62℃ ± 10℃ (S、Ｒ型)或 1200℃ ±10℃(B 型)和參考端溫度為 0℃時(shí)，用同名極法測(cè)量熱電動(dòng)勢(shì)，熱電動(dòng)勢(shì)的最大差值為該卷(盤)偶絲的不均勻熱電動(dòng)勢(shì)值。在實(shí)際生產(chǎn)中，一卷偶絲的最大不均勻熱電動(dòng)勢(shì)不一定出現(xiàn)在頭尾，而是可能在任何部位。比較準(zhǔn)確地反映一卷偶絲的不均勻性是采用整卷偶絲依次剪 1m 一段與同名極標(biāo)準(zhǔn)偶絲比較，測(cè)出最大不均勻性熱電動(dòng)勢(shì)，但這種方法具有破壞性，不能應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。近年來(lái)，重慶儀表材料研究所開(kāi)發(fā)了間斷式不均勻熱電動(dòng)勢(shì)測(cè)試系統(tǒng)用于檢測(cè)整卷偶絲熱電動(dòng)勢(shì)變化情況，確定偶絲不均勻性熱電動(dòng)勢(shì)。

    2 間斷式不均勻熱電動(dòng)勢(shì)測(cè)試系統(tǒng)
    根據(jù)塞貝克原理［5］ :兩種不同金屬構(gòu)成的回路中，如果兩種金屬的結(jié)點(diǎn)處溫度不同，該回路中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)溫差電動(dòng)勢(shì)。由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，在溫度梯度下是不會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)的。若由一根熱電極材料組成的閉合回路在溫度梯度下有熱電動(dòng)勢(shì)輸出，說(shuō)明該熱電極是不均勻的;產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)越大，說(shuō)明該熱電極的成分或應(yīng)力分布越不均勻。

    重慶儀表材料研究所根據(jù)該原理研發(fā)的間斷式不均勻熱電動(dòng)勢(shì)測(cè)試系統(tǒng)可以對(duì)熱電偶絲整個(gè)長(zhǎng)度范圍熱電動(dòng)勢(shì)波動(dòng)幅度進(jìn)行有效測(cè)量和評(píng)估，這是一種非破壞性檢測(cè)控制技術(shù)。然后根據(jù)用戶需求將兩根偶絲選擇配對(duì)，可以確保產(chǎn)品在整個(gè)長(zhǎng)度范圍內(nèi)符合用戶精度要求。系統(tǒng)框線圖如圖 1 ［6］ 所示，主要由預(yù)熱裝置、測(cè)試爐、計(jì)數(shù)復(fù)繞裝置、控制系統(tǒng)、信號(hào)采集和數(shù)據(jù)分析評(píng)估系統(tǒng) 5 部分組成。具體做法如下:偶絲經(jīng)過(guò)預(yù)熱處理后，在測(cè)試爐內(nèi)，通過(guò)被檢偶絲和標(biāo)準(zhǔn)電極斷開(kāi)或接觸，可以測(cè)量整卷偶絲任意部位相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)同名極偶絲的相對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)值，將其繪制成曲線圖，從而得到整卷偶絲從頭到尾各點(diǎn)之間熱電動(dòng)勢(shì)高低分布曲線。從圖中可以直觀看出偶絲整個(gè)長(zhǎng)度范圍內(nèi) EMF 波動(dòng)情況，確定出△EMF，完成對(duì)單極偶絲熱電均勻性的量化評(píng)估［6］ 。該測(cè)試系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):(1)整卷絲不用剪斷，可以測(cè)量任意長(zhǎng)度偶絲的不均勻熱電動(dòng)勢(shì)值;(2)更換電極方便，通過(guò)電極測(cè)量端的標(biāo)準(zhǔn)電極，可測(cè)量PtＲh10、PtＲh6、PtＲh13 的不均勻熱電動(dòng)勢(shì);(3)測(cè)量時(shí)靜態(tài)接觸，不測(cè)量時(shí)懸空走絲，不損傷偶絲的表面質(zhì)量。

    3 測(cè)量結(jié)果和討論
    采用該系統(tǒng)測(cè)量的1084. 62℃ 時(shí)整卷0. 5mmPtＲh10 偶絲的相對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1，測(cè)試采樣間隔為 2m。

    由表1 可以看出，整卷偶絲的相對(duì)熱電勢(shì)最大值和最小值分別位于序號(hào)為16 和24 的采樣點(diǎn)處，整卷偶絲的不均勻熱電動(dòng)勢(shì)為: ( －8μV) －( －34μV) =26μV。

    在上述各采樣點(diǎn)處剪斷取樣，按 GB/T 16701. 1—1996 采用同名極比較法測(cè)量其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)同名極的相對(duì)熱電勢(shì)值。在溫度為 1084. 88℃ 的配對(duì)熱電勢(shì)數(shù)據(jù)如表 2 所示。

    表 2 數(shù)據(jù)真實(shí)反映了整卷 PtＲh10 偶絲從頭到尾熱電動(dòng)勢(shì)高低分布情況，整卷偶絲的相對(duì)熱電勢(shì)最大值和最小值同樣分別位于序號(hào)為 16 和 24 的采樣點(diǎn)處，整卷偶絲的不均勻熱電動(dòng)勢(shì)為: ( － 8μV) －( －34μV) =26μV。從表1、表2 數(shù)據(jù)可以看出，除了頭尾幾個(gè)采樣點(diǎn)外，采用兩種方法測(cè)量的整卷 PtＲh10偶絲相對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)變化的規(guī)律性基本是一致的。造成表 1、表 2 數(shù)據(jù)差異的原因是由于: 兩種測(cè)試方法的采樣點(diǎn)不完全一致。

    在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，為了精確反映整卷偶絲從頭到尾各點(diǎn)之間熱電動(dòng)勢(shì)高低分布情況，當(dāng)采用間斷式不均勻熱電動(dòng)勢(shì)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試完畢后在相對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)最大、最小、熱電勢(shì)突變處等關(guān)鍵點(diǎn)取樣外，還在偶絲頭、尾若干采樣點(diǎn)等處取樣，按 GB/T 16701—1996 進(jìn)行線性測(cè)試，以精確確定整卷偶絲的不均勻熱電動(dòng)勢(shì)。

    4 結(jié)論
    本文論述偶絲不均勻熱電動(dòng)勢(shì)的概念、成因，介紹了間斷式不均勻熱電動(dòng)勢(shì)系統(tǒng)及其測(cè)量方法，實(shí)踐證明該系統(tǒng)運(yùn)行方便，可靠，不需剪斷偶絲，適用于生產(chǎn)規(guī)模上檢驗(yàn)鉑銠熱電偶絲的不均勻熱電勢(shì)，效果良好.