張鑫

（中國建材檢驗認證集團股份有限公司，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制成的。兩種不同材料的導體組成閉合回路，回路的兩端分別稱作熱端（工作端）和冷端（自由端）。當這兩端溫度不同時，整個回路中就會產(chǎn)生電動勢，此電動勢至于熱電極的材料和兩端的溫度有關，與熱電偶的形狀和幾何尺寸無關。回路中總電動勢的方向與熱電偶兩端溫度有關。倘若熱電偶的兩極材料相同，則兩點處接觸電勢為零，而兩熱電極溫差電勢大小相等，方向相反，因此回路總熱電勢等于零。如果熱電偶兩端溫度相同，則兩熱電極的溫差電勢等于零，而兩接點處的接觸電勢大小相等，方向相反，回路中總熱電勢也等于零。因此，只有當熱電偶兩接觸點溫度不同時才有熱電勢產(chǎn)生。用測量儀表測得熱電勢的數(shù)值后，便可間接知道相應的溫度或者直接由測量儀表指示出溫度[1]，如圖1所示。

圖1 熱電偶測溫系統(tǒng)

2 耐火極限試驗中熱電偶測溫問題

本文耐火極限試驗中使用的試件背火面測溫熱電偶為鎳鉻-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）。試驗過程中用長寬均為30mm、厚度2mm的石棉襯墊通過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)默認每隔一分鐘采集一次溫度信息，繪制溫度-時間曲線。但在實際試驗過程中偶爾會遇到測溫熱電偶溫度高低跳躍、溫度偏離實際，誤差過大等問題。以上問題嚴重影響試驗進程以及最終對試驗試件的品質(zhì)判定。就本次試驗來說，采用垂直構(gòu)件耐火試驗爐，安裝樣品到試驗框架上往往需要耗費大量時間。由于熱電偶的溫度問題導致試驗中止，則需要拆毀原有樣品重新安裝完好的新樣品。不僅會浪費人力物力，而且也會延長試驗周期給客戶帶來不必要的煩惱。

圖2 圓銅片的測量接點

圖3 圓銅片和隔熱墊

3 耐火極限試驗中熱電偶溫度跳躍、偏離問題分析

1) 熱電偶貼點過程不嚴謹

貼點時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有任何膠，允許存在十分細小的空隙。然而實際人工操作過程中很難避免操作誤差導致銅片粘膠、隔熱墊固定不嚴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

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

3)熱電偶與巡檢儀接觸不良

之前在試驗中遇到新替換的熱電偶開始時比較準確，使用十多次后開始出現(xiàn)溫度偏離。連續(xù)更換三家熱電偶供應商，溫度偏離問題一直沒有解決。利用排除法，選擇更換巡檢儀接口、清理接口塵土。最終問題得到了解決，因此推斷此次問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，常常會出現(xiàn)老化的現(xiàn)象，也就是常說的熱電偶的劣化。熱電偶的劣化是長期量變過程，將隨熱電偶的種類、直徑、使用溫度、環(huán)境、時間的不同而變化。劣化將會改變熱電偶的熱電特性或超出允許誤差、脆斷[3]。

5）測量回路接地，串入附加地電勢

試件安裝過程中，安裝人員為了固定試件會使用槽鋼、鋼筋等焊接在框架上。這樣就無形中串入了附加地電勢。在熱電偶回路中存在著四個電勢，即兩個接觸電動勢和兩個溫差電動勢。熱電偶回路的總電動勢為：

圖4 熱電偶

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

式（2）表明，熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢只隨熱端（工作端）溫度的變化而變化，即一定的熱電動勢對應著一定的溫度。我們通過測量熱電動勢的方法就達到了測溫的目的。當回路接地、串入附加地電勢以后，測eAB(t)可能等于零或者小于eAB(t0)，這樣EAB(t,t0)將出現(xiàn)負數(shù)，并且極不穩(wěn)定[1]。

4 耐火極限試驗中熱電偶溫度跳躍、偏離問題解決

1)嚴格按照標準要求貼點

貼點前認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，操作過程中盡量避免耐高溫膠污染接觸點。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，了解試驗試件的結(jié)構(gòu)。標注安裝中輕鋼龍骨、螺釘、銷釘具體位置。除以上關鍵點外還要避免在試樣接縫處或可能的煙氣沖擊處貼點。

3)定期維護熱電偶和巡檢儀

由于本實驗室巡檢儀和熱電偶的接口留在了爐體旁，場地限制導致施工安裝活動在室內(nèi)進行。雖然對巡檢儀做了設備箱進行封裝，但難免施工過程中會有塵土進入到箱體里。因此建議在設備設計之初對巡檢儀等設備位置進行統(tǒng)一規(guī)劃，盡量遠離污染源和干擾源。條件允許的話對熱電偶與巡檢儀接口處進行密封處理，盡量降低環(huán)境污染對熱電偶的干擾。

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程。為了準確可靠地測量溫度，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)，并能準確地推斷劣化進展的情況，及時地更換熱電偶。

5)避免接地等現(xiàn)象

接地現(xiàn)象主要是出現(xiàn)在試件安裝施工過程中，因此作為試驗人員應該時刻關注并了解安裝人員的具體施工內(nèi)容、試件結(jié)構(gòu)。如安裝過程中出現(xiàn)可能對測量結(jié)果產(chǎn)生干擾的結(jié)構(gòu)，應及時與廠家或者施工人員進行溝通排除干擾現(xiàn)象。

5 結(jié)語

本文只是針對耐火極限試驗過程中熱電偶測溫偏離，溫度跳躍問題的原因進行了分析。通過對可能出現(xiàn)問題的分析和處理，盡可能使試驗過程更加穩(wěn)定，實驗數(shù)據(jù)更加嚴謹。有助于提升試驗質(zhì)量和效率，并有助于降低運行成本。