1、铝冶金用热电偶测温精度分析及铝液、铝电解质连续测温2008-1-16 11:16:23王魁汉吴玉锋王楠（东北大学，辽宁沈阳 110004）摘要：通过对铝工业用热电偶测温精度分析，指出现行的测温系统不能满足工艺要求的原因，简述了热电偶测温系统采用分立元件检定法存在的问题。阐明对热电偶测温系统进行整体检定或现场校准的优越性。着重介绍采用合金与陶瓷保护管用于铝液连续测温，使进口温度传感器实现了国产化。关键词：离线；在线；分立元件检定；整体检定；铝液连续测温0 前言为了确保温度量值的准确可靠，对新制或使用中热电偶进行定期或不定期检定是十分必要的。当前，国内仅有热电偶、补偿导线及仪表各自的检定规程，但是
2、，没有热电偶高温计等测温系统的检定规程。因此，对于测温系统的检定，只能采用分立元件法，即对构成测温系统的元件及仪表分别进行检定。此种检定方法是离线的，而且，不能对测温系统进行在线整体检定。对于广泛应用的各种热电偶数字温度计的检定，尚无国家标准。因此，本文将对测温系统的检定方法进行分析，并提供相应的解决办法。1 测温系统的分立元件检定法关于测温系统的检定方法，目前有如下 2 种方式：分立元件检定法与整体校准法。依据国家标准，对热电偶的检定，应在计量室进行。因此，使用中热电偶必须从安装位置上取下来，送计量部门检定。有关热电偶的检定周期，一般为半年，在特殊情况下，可依据使用条件确定1。这种离线式检定
3、方法存在如下问题。1.1 分立元件检定法存在的问题经计量室检定合格的产品，在现场使用条件下通常是合格的，但是在有些场合下检定合格的产品，在现场使用条件下却不合格。这种现象鲜为人知，未引起人们重视其影响因素如下。1.1.1 热电偶丝不均质影响（1）热电偶材质本身不均质热电偶在计量室检定时，按规程要求，插入检定炉内的深度只有 300mm。因此每支热电偶的检定结果，确切的说只能体现或主要体现出从测量端开始 300 mm 长偶丝的热电行为，然而，当热电偶的长度较长，使用时大部分偶丝处于高温区，如果热电偶丝是均质的，那么依据均质回路定则，测量结果与长度无关。可是，热电偶丝并非均质，尤其是廉金属热电偶丝其
4、均质性较差，如果热电偶丝不均质又处于具有温度梯度的场合，那么其局部将产生热电动势，该电动势称为寄生电势，由寄生电势引起的误差称为不均质误差。（2）热电偶丝经使用后产生的不均质对于新制的热电偶，即使是均质的，经反复加工、弯曲致使热电偶产生加工畸变，也将失去均质性，而且使用中热电偶长期处于高温下也会因偶丝的劣化而引起热电动势变化，例如：插入工业炉中的热电偶，将沿偶丝长度方向发生劣化，并随温度增高，劣化增强，当劣化的部分处于具有温度梯度的场所，也将产生寄生电动势叠加在总热电动势中而出现测量误差。1.1.2 铠装热电偶的分流误差（1）分流误差所谓分流误差即用铠装热电偶测量炉温时，当热电偶中间部位的温度
5、有超过 800的温度分布存在时，因其绝缘电阻下降，热电偶示值出现异常的现象，称为分流误差。依据均质回路定则，用热电偶测温只与测量端与参考端两端温度有关，与中间温度分布无关。可是由于铠装热电偶的绝缘物是粉末状 MgO ，温度每升高 100。其绝缘电阻下降一个数量级，当中间部位温度较高时，必定有漏电流产生，致使热电偶产生分流误差。（2）分流误差产生的条件将铠装热电偶水平插入炉内，其规格及实验条件为：直径 4.8，长度为 25m，中间部位加热带的长度为 20m，温度为 1000。本次实验中，热电偶的测量端与中间部位的温差为 200。如果测量端温度高于中间部位，则产生负误差；相反，则产生正误差。如果两
6、者的温差为 200，那么，分流误差约为 100。这是绝对不能忽视的，分流误差的产生条件与铠装热电偶种类和直径等因素有关（见表 1）。表 1 铠装热电偶产生分流误差的条件2影响因素 条件铠装热电偶的直径 直径越细，越容易产生误差。中间部位的温度 中间部位的温度超过 800，容易产生分流误差。中间部位加热带长度 中间部位加热带长度越长，越容易产生分流误差。中间部位加热带位置 中间部位加热带位置距测量端越远，越容易产生分流误差。绝缘电阻 绝缘电阻越低，越容易产生分流误差。热电偶丝电阻 K 型与 S 型相比，K 型热电偶丝电阻比 S 型电阻大，故更容易产生分流误差。 外径相同的铠装热电偶，热电偶丝越细
7、，越容易产生分流误差。由上述讨论可以看出，分立元件检定法有诸多弊端，本来检定合格的产品，在使用中却有可能不合格，因此，建议最好采用整体校准法。2 测温系统整体校准法以热电偶为传感器的测温系统的检定，按照现行标准，只能采用分立元件法。由误差理论可知，这三者检定都合格，组合起来并不一定合格。因此，很久以前就曾有专家呼吁推广整体校准法。即在计量室对其测温系统进行检定，求出整个系统的测量误差，而且最好能现场校准。为此必须提供标准器，即要有相对准确的现场校验仪，同被测系统用现场实际使用的工业炉作为比较热源，进行校准。因此，首先要有相对标准的热电偶高温计。该温度计事先要经过计量部门检定，提供校准证书，用这
8、种带有校准证书的温度计，就可以对被测系统进行现场校准，可是目前我国尚无标准，因此，作者已向国家技术监督部门建议起草有关数字温度计的检定规程。2.1 尽快制定数字温度计检定规程日本早在 60 年代就已经有了热电偶高温计、热电阻温度计的工业标准，目前国内广泛应用的便携式数字温度计的检定，各级部门基本上都采用整体校准法，可是却无法可依。只能参照热电偶或仪表的检定规程给出校准证书。为了给类似于数字温度计的现场校准仪提供检定证书，必须尽快制定数字温度计的检定规程2.2 现场校准仪的研制目前市场上广泛流行的数字温度计精度低，不能用作现场校准仪。作为校准系统，不仅准确度要高，而且其准确度应经过国家质量监督部
9、门校准，并带有校准证书。2.2.1 工作用现场校准系统的开发作者自 1994 年起同抚顺铝厂合作开发出用于铝电解液的便携式测温仪。它是由特种热电偶保护管，铠装热电偶（K 型），测温枪及数字显示仪组成，8 年来已有 200多台用于现场，不仅使用寿命长，而且准确度高，颇受用户欢迎。尤其是铝电解工艺水平提高，要求电解质的温度波动控制在 5以内，普通的铠装热电偶均不能满足铝电解工艺要求。作者依据用户要求对其元件及仪表进行精选：选取级 K 型铠装热电偶，并尽可能接近标准值；选取精密级延伸型补偿导线；选取高精度数显仪表，在 01300内达 0.2 级。精选后组合的测温仪经辽宁省、沈阳市计量部门校准，结果见
10、表 2、3。由表 2、3 可以看出，便携式测温仪的准确度在 0.4 级以内，而且，绝大部分达到了 0.2 级。用作现场校准系统是可行的。表 2 沈阳市计量测试所检定结果温度 修正值 沈计温字证书编号E2015E2015E2018E2018E2018E2018E2018E2018E2018E2018E2018E2018E201844 45 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72800 1 2 1 2 0 2 3 1 2 1 0 1 11000 2 1 0 1 2 2 0 1 0 2 2 1 2表 3 东北国家计量中心辽宁省计量科学研究院校准结果实测值温度 证书编号E39
11、24 E4683 E3861 E4661 E4836 E4631 E9952 E9638 E9771 E9717 E9737800 803 803 803 804 804 804 800 802 800 800 802950 952 952 952 953 1000 1002 1003 998 1000 998 998 10032.2.2 工作用现场校准仪的应用自 2002 年起作者开发的近 30 台测温仪已经在中铝公司郑州研究院、湖北盛佳铝业、新疆众和集团、青海铝厂等十几家企业应用。基本上能满足生产工艺要求，其用户在与日俱增。2.3 分立元件检定与整体校准法的比较2.3.1 分立元件检定对于
12、测温系统的检定，通常采用分立元件检定法，即分别对热电偶、补偿导线及仪表进行检定，测温系统的误差为： = （1）其中 1 为热电偶的极限误差；2 为补偿导线的极限误差；3 为仪表的极限误差。如果采用 K 型热电偶，精度为级，取温度点为 1000，误差为 7.5，对于 K型热电偶补偿导线为 B 级，其误差为2.5，数显仪表的精度为 1.0 级，在 1000 下误差为10。将上述各误差代入（1）式，= = =12.75综上所述，如采用分立元件法检定铝电解用测温系统的误差约为 13，无法满足工艺要求。有的工厂购入的热电偶不检定就直接使用，分散性更大，所测数据不可靠。不能用于指导生产。2.3.2 整体校
13、准法校准精度高作者开发的便携式测温仪，其整体校准精度在 0.4 级以内，大部分能达到 0.2 级。由此可以看出整体校准法远远优于分立元件检定法。对于测温仪进行校准的不确定度分析计算也证明，用二等标准铂铑 10铂热电偶标准装置，在 1000点校准的扩展不确定度为 1.82。依据误差理论，只有采用这种测温系统，才有可能满足电解工艺温度测量误差为 5的要求。因此，该种测温仪颇受用户欢迎。按用户要求校准特定的温度点，可进一步提高校准精度。整体校准的系统误差可以修正。3 铝液及铝电解质连续测温3.1 铝液连续测温对于铝锭熔化炉、铝液保持炉、铸造炉及精炼炉中铝液温度的连续测量与控制，是保证产品质量，节能降
14、耗的重要条件。由于铝液温度较高，腐蚀性强，在熔化或精炼过程中要添加精炼剂、除气剂和覆盖剂等。其腐蚀性也很强，而且还有机械或电磁搅拌，机械扒渣等工艺操作，因此，常规陶瓷管是无能为力的。针对上述情况，作者开发出拥有自主知识产权的铸造合金保护管。3.1.1 新型铸造合金（MPT-1 型）保护管新型铸造合金（MPT-1 型）保护管为铁基铸造合金。它的特点是强度高、韧性好、耐腐蚀，在有机械扒渣的情况下，也不易碰断。MPT-1 型保护管规格为：1645，L=3001200。该种材料可加工，因此可将 MPT-1 型管延长。贵州铝厂及包头铝厂保持炉连续测温用热电偶的规格为 35452000。其中 MPT-1
15、型保护管规格为 35451000。用于从意大利进口的铝连轧生产线，替代进口温度传感器，不仅价格便宜，而且在性能上也能达到国外同类产品水平。3.1.2 陶瓷管氮化硅结合碳化硅或表面改性 SiC 管铝轮毂等行业对铁杂质要求很严，上述铸造合金管要增铁，必须采用陶瓷管。Si3N4 管虽然耐铝液腐蚀，但强度低，塞龙管强度高，耐腐蚀，然而价格昂贵，无实用价值。作者采用表面改性 SiC 管及氮化硅结合 SiC 管，用于三洋公司、戴卡轮毂、大长江集团、大连利优比公司等，替代进口产品效果也很好。3.1.3 新型氧化物陶瓷保护管（AT）最新开发出的钛酸铝（Al2O3TiO2,缩写成 AT）热膨胀系数极低，为 1.
16、410-6/。1200至水中 20 次、1200至室温空气 70 次不炸裂，用作铝液连续测温保护管效果很好。而且用作熔铝炉耐火材料较现有材料具有显著优越性，其应用前景十分诱人。3.2 铝电解液连续测温为了攻克铝电解液连续测温难关，作者又开发出 MPT-2 型铁基合金保护管，并采用整体嵌合式，一次浇铸成形连续测温用热电偶，规格为 35500它有以下特点：强度高、韧性好；寿命长、不粘电解质；灵敏度高，响应速度快。该种热电偶在贵铝试验，使用寿命最长达 48 天，作者将锲而不舍继续研究，直至应用为止。4 结语通过对铝工业用热电偶测温精度分析，证明现行的测温系统均尚不能满足工艺要求，建议采用整体检定或现场校准法以提高测温系统精度，更好地满足铝冶金工艺要求。参考文献1.国家质量技术监督局标准，工作用廉金属热电偶检定规程（JJG35196），1997.3.1 日实施2.日本学术振兴会，制钢第 19 委员会第 2 分科会，高温测定标准研究，东京，株式会社，1988
