各種鉑銠合金電偶絲的不均勻熱電動勢和檢測方法

     下文主要對偶絲不均勻熱電動勢的概念，間斷式不均勻熱電動勢測試系統和測量方法。采用樣品偶絲對間斷式不均勻熱電動勢測試系統進行校驗和考核，結果表明該裝置具有實用性。

    采用鉑銠熱電偶絲制造的測溫熱電偶，具有測溫精度高﹑復現性好﹑響應速度快等優良的熱學、電學、機械學性能，在鋼鐵、冶金、航空航天等領域得到廣泛應用。

    不均勻熱電動勢是衡量鉑銠熱電偶絲產品質量的一項重要指標。不均勻熱電動勢的存在造成整卷偶絲的熱電特性發生變化，從而影響測溫精度的一致性。不均勻熱電動勢的精確測量在監控偶絲熱電動勢變化情況、材料配對選擇等方面具有特別重要的意義。

    1 不均勻熱電動勢
    熱電偶絲產生不均勻熱電動勢的原因是熱電極材料成分和應力分布不均勻，主要由以下因素引起: 在熔煉澆鑄過程中合金組元或雜質元素的冶金偏析; 加工過程中形成的物理缺陷、機械損傷; 熱處理和使用中合金組元或雜質元素的選擇性揮發和氧化、脫溶沉淀; 由于固溶或化合從環境介質中吸入其他化學元素;材料內部應力分布不均勻; 晶粒大小和狀態的不均勻。理論上講，一支由兩種成分不同的均質熱電極材料組成的熱電偶，產生的熱電動勢與熱電極材料上的溫度分布無關，是測量端和參考端溫度差的函數:

    式中: S A 和 S B 是熱電極材料 A 和 B 的絕對塞貝克系數，T 1 、T 2 分別是熱電偶參考端和工作端的溫度。實際的熱電極材料都不是絕對均質的，其塞貝克系數是熱電極材料位置 X 和溫度分布 T 的函數，此時產生的熱電動勢:

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

    目前，國內廠家普遍按照國標規定 ［1 －4］ 對不均勻熱電動勢測量:對同一卷(盤)偶絲頭尾所取試樣，經清洗退火處理后，將其一端和標準熱電偶的測量端用直徑為 0. 2 ～ 0. 3mm 的清潔鉑絲捆扎在一起，放進熱電偶檢定爐內，在測量端溫度為 1084. 62℃ ± 10℃ (S、Ｒ型)或 1200℃ ±10℃(B 型)和參考端溫度為 0℃時，用同名極法測量熱電動勢，熱電動勢的最大差值為該卷(盤)偶絲的不均勻熱電動勢值。在實際生產中，一卷偶絲的最大不均勻熱電動勢不一定出現在頭尾，而是可能在任何部位。比較準確地反映一卷偶絲的不均勻性是采用整卷偶絲依次剪 1m 一段與同名極標準偶絲比較，測出最大不均勻性熱電動勢，但這種方法具有破壞性，不能應用于實際生產中。近年來，重慶儀表材料研究所開發了間斷式不均勻熱電動勢測試系統用于檢測整卷偶絲熱電動勢變化情況，確定偶絲不均勻性熱電動勢。

    2 間斷式不均勻熱電動勢測試系統
    根據塞貝克原理［5］ :兩種不同金屬構成的回路中，如果兩種金屬的結點處溫度不同，該回路中就會產生一個溫差電動勢。由一種均質導體組成閉合回路，在溫度梯度下是不會產生熱電動勢的。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勢輸出，說明該熱電極是不均勻的;產生的熱電動勢越大，說明該熱電極的成分或應力分布越不均勻。

    重慶儀表材料研究所根據該原理研發的間斷式不均勻熱電動勢測試系統可以對熱電偶絲整個長度范圍熱電動勢波動幅度進行有效測量和評估，這是一種非破壞性檢測控制技術。然后根據用戶需求將兩根偶絲選擇配對，可以確保產品在整個長度范圍內符合用戶精度要求。系統框線圖如圖 1 ［6］ 所示，主要由預熱裝置、測試爐、計數復繞裝置、控制系統、信號采集和數據分析評估系統 5 部分組成。具體做法如下:偶絲經過預熱處理后，在測試爐內，通過被檢偶絲和標準電極斷開或接觸，可以測量整卷偶絲任意部位相對于標準同名極偶絲的相對熱電動勢值，將其繪制成曲線圖，從而得到整卷偶絲從頭到尾各點之間熱電動勢高低分布曲線。從圖中可以直觀看出偶絲整個長度范圍內 EMF 波動情況，確定出△EMF，完成對單極偶絲熱電均勻性的量化評估［6］ 。該測試系統具有以下特點:(1)整卷絲不用剪斷，可以測量任意長度偶絲的不均勻熱電動勢值;(2)更換電極方便，通過電極測量端的標準電極，可測量PtＲh10、PtＲh6、PtＲh13 的不均勻熱電動勢;(3)測量時靜態接觸，不測量時懸空走絲，不損傷偶絲的表面質量。

    3 測量結果和討論
    采用該系統測量的1084. 62℃ 時整卷0. 5mmPtＲh10 偶絲的相對熱電動勢數據見表 1，測試采樣間隔為 2m。

    由表1 可以看出，整卷偶絲的相對熱電勢最大值和最小值分別位于序號為16 和24 的采樣點處，整卷偶絲的不均勻熱電動勢為: ( －8μV) －( －34μV) =26μV。

    在上述各采樣點處剪斷取樣，按 GB/T 16701. 1—1996 采用同名極比較法測量其相對標準同名極的相對熱電勢值。在溫度為 1084. 88℃ 的配對熱電勢數據如表 2 所示。

    表 2 數據真實反映了整卷 PtＲh10 偶絲從頭到尾熱電動勢高低分布情況，整卷偶絲的相對熱電勢最大值和最小值同樣分別位于序號為 16 和 24 的采樣點處，整卷偶絲的不均勻熱電動勢為: ( － 8μV) －( －34μV) =26μV。從表1、表2 數據可以看出，除了頭尾幾個采樣點外，采用兩種方法測量的整卷 PtＲh10偶絲相對熱電動勢變化的規律性基本是一致的。造成表 1、表 2 數據差異的原因是由于: 兩種測試方法的采樣點不完全一致。

    在實際生產過程中，為了精確反映整卷偶絲從頭到尾各點之間熱電動勢高低分布情況，當采用間斷式不均勻熱電動勢測試系統測試完畢后在相對熱電動勢最大、最小、熱電勢突變處等關鍵點取樣外，還在偶絲頭、尾若干采樣點等處取樣，按 GB/T 16701—1996 進行線性測試，以精確確定整卷偶絲的不均勻熱電動勢。

    4 結論
    本文論述偶絲不均勻熱電動勢的概念、成因，介紹了間斷式不均勻熱電動勢系統及其測量方法，實踐證明該系統運行方便，可靠，不需剪斷偶絲，適用于生產規模上檢驗鉑銠熱電偶絲的不均勻熱電勢，效果良好.