板式熱電偶與普通熱電偶在耐火試驗中的應用研究

1. 引言

熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號轉換成熱電動勢信號， 通過電氣儀表(二次儀表)轉換成被測介質的溫度。

常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所謂標準熱電偶是指國家標準規定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。在中國標準化熱電偶從 1988 年 1 月 1 日起，熱電偶和熱電阻全部按 IEC 標準生產， 并 S、B、E、K、R、J、T 七種標準化熱電偶為中國統一設計型熱電偶。

隨著國內實驗室試驗能力越來越強，與接軌的速度與日俱增，越來越多的標準試驗可以在國內   實驗室中進行，而國外標準中(ISO、EN 標準)，對于熱電偶有自己地域的*要求。為了滿足國外標準要求， 同時也為了比較國內熱電偶與國外熱電偶在敏感度、耐久性、精確度等方面的差異，本課題孕育而生。

2. 建筑構件耐火試驗中熱電偶使用狀況及分度表

2.1. 國外使用狀況

ISO、EN 中，明確爐內采用鎳鉻鎳鋁板式熱電偶[1] [2]。BS 標準中，明確爐內熱電偶采用鎳鉻鎳硅點式熱電偶[3]。

2.2. 國內使用狀況

GB 標準中，明確爐內熱電偶采用鎳鉻鎳硅點式熱電偶[4]。

2.3. 熱電偶分度表

我國已經基本上用鎳鉻鎳硅熱電偶取代了鎳鉻鎳鋁熱電偶。國外仍然使用鎳鉻鎳鋁熱電偶。兩種熱電偶的化學成分雖然不同，但其熱電特性相同，使用同一分度表。下列多項式為溫度與電壓值之間的對應關系，表 1 為耐火試驗中典型溫度與電壓值之間的對應關系[5] [6]。

鎳鉻鎳鋁的分度表是由下列多項式算出的：

1) −270℃~0℃

E = å a  (t   )i     mv

i      90

i =1

Table 1. The Relationship between Electromotive Force and the Temperature of Type K Thermocouple (Nickel Chromium

/Nickel Aluminum) in the Test

表 1. 試驗中典型 K 型(鎳鉻/鎳鋁)電動勢溫度關系

試中： a1

= 3.9450128025 × 10

a = 2.3622373598 × 10⁻²

a = −3.2858906784 × 10⁻⁴

a = −4.9904828777 × 10⁻⁶

a = −6.7509059173 × 10⁻⁸

a = −5.7410327428 × 10⁻¹⁰

a = −3.1088872894 × 10⁻¹²

a = −1.0451609365 × 10⁻¹⁴

a = −1.9889266878 × 10⁻¹⁷

a = −1.6322697486 × 10⁻²⁰

2) 0 ℃~ 1372℃

E = b

+ åb (t

)i  + c

exp éc (t

-126.9686)2 ùmv

試中： bo

= −1.7600413686 × 10

o i 90

i =1

o ë 1     90 û

b1 = 3.8921204975 × 10

b = 1.8558770032 × 10⁻²

b = −9.9457592874 × 10⁻⁵

b = 3.1840945719 × 10⁻⁷

b = −5.6072844889 × 10⁻¹⁰

b = 5.6075059059 × 10⁻¹³

b = −3.2020720003 × 10⁻¹⁶

b = 9.7151147152 × 10⁻²⁰

b = −1.2104721275 × 10⁻²³

c = 1.185976 × 10²

c   = −1.183432 × 10⁻⁴

3. 耐火試驗

3.1. 熱電偶準備

3.1.1. 板式熱電偶

嚴格按照BS EN 規范中的熱電偶要求制作，爐內熱電偶應采用平板測溫儀，這種測溫儀由折疊鋼板，

固定在鋼板上的熱電偶裝及填裝在板中間的耐熱材料組成。平板為(150 ± 1) mm 長，(100 ± 1) mm 寬，(0.7

± 1) mm 厚，鎳合金薄板折成。

3.2.2. 點式熱電偶

點式熱電偶嚴格按照 GB 要求進行制作[5]，爐內熱電偶采用符合 GB/T  16839.1 規定的絲徑為 0.75 mm~2.30 mm 的鎳鉻-鎳硅(K 型)熱電偶[6]，外罩耐熱不銹鋼套管，中間填裝耐熱材料，其熱端伸出套管的長度不少于 25 mm。

3.2. 試驗設備

3.2.1. 兩種類型熱電偶的安裝

嚴格按照 EN 規范中的熱電偶要求制作熱電偶的位置不應受燃燒器火焰的直接沖擊，并且距離戶內所有側墻、底面和頂部不應小于 450 mm。試驗開始時平板測溫儀應該距離待測結構的背火面(100 ± 50) mm，并且在試驗過程中必須盡可能的保持這個距離。固定的方式要確保在耐火試驗期間平板測溫儀不移動或脫落，安裝圖示如圖 1 所示。

3.3. 試驗方案

3.3.1. 升溫方案

本系列試驗采用的升溫曲線為 ISO 標準時間—溫度曲線(如圖 2 所示)，此曲線的實質是提供一個能合理代表火災發生條件的標準試驗環境條件，在該試驗環境條件下，可以比較建筑結構中具有代表性的不同構件的耐火性能。

3.3.2. 試驗對象

本系列試驗主要針對 ISO、BS、EN 標準進行的電梯耐火層門、防火玻璃、防火隔墻等等。

3.4. 試驗結果

3.4.1. 試驗對象統計

從課題立項至今，根據 ISO 標準進行了 5 次試驗，歷經 7 小時；根據 BS 標準進行了 16 次試驗，歷經 22 小時；根據 EN 標準進行了 49 次試驗，歷經 67 小時。

Figure 1. Two types of Furnace Thermocouples

圖 1. 兩種類型爐內熱電偶

3.4.2. 試驗結果分析

(1) 點式熱電偶測量平均爐溫、板式熱電偶測量平均爐溫及標準升溫曲線爐溫對比圖 3 為點式熱電偶爐溫、板式熱電偶爐溫及標準升溫曲線圖示。

從大量試驗可以得出：板式熱電偶平均爐溫和點式熱電偶平均爐溫與標準升溫曲線之間溫差在±15 ℃，滿足爐溫精度要求，均可以作為爐溫熱電偶使用。

(2) 各個點式熱電偶測量爐溫、各個板式熱電偶測量爐溫及標準升溫曲線爐溫對比圖 4、圖 5 為各個點式熱電偶爐溫、各個板式熱電偶爐溫及標準升溫曲線圖示。

從大量試驗可以得出：各個板式熱電偶和點式熱電偶均滿足爐溫精度要求。在穩定性方面，板式熱電偶要好于點式熱電偶。

(3) 相近位置處，點式熱電偶與板式熱電偶數據對比

圖 6、圖 7、圖 8 為相近位置處，板式熱電偶與點式熱電偶數據對比。

從大量試驗可以得出：相近處，點式熱電偶與板式熱電偶溫度相近，基本不受熱電偶類型影響。

Figure 2. ISO Standard Temperature/Time Curve

圖 2. ISO 標準時間—溫度曲線

Figure 3. Point Mean Furnace Temperature, Plate Mean Furnace Temperature and Standard Temperature/Time Curve

圖 3. 點式熱電偶平均爐溫、板式熱電偶平均爐溫及標準升溫曲線

Figure 4. Each Point Mean Furnace Temperature and Standard Temperature/Time Curve

圖 4. 各個點式熱電偶及標準升溫曲線

Figure 5. Each Plate Mean Furnace Temperature and Standard Temperature/Time Curve

圖 5. 各個板式熱電偶及標準升溫曲線

Figure 6. Point Furnace Temperature and Plate Furnace Tempera- ture/Time Curve at the Similar Position

圖 6. 相近位置板式熱電偶、點式熱電偶升溫曲線

(4) 相同位置處不同材質板式熱電偶對比

圖 9、圖 10 為相近位置處，不同材質板式熱電偶數據對比。

從大量試驗可以得出：相近位置處，不同保護措施的板式熱電偶溫度相近，不同類型的板式熱電偶溫度相近。

4. 結論

從大量的試驗數據可以得知：

Figure 7. Point Furnace Temperature and Plate Furnace Temperature/Time Curve at the Similar Location

圖 7. 相近位置板式熱電偶、點式熱電偶升溫曲線

Figure 8. Point Furnace Temperature and Plate Furnace Temperature/Time Curve at the Similar Location

圖 8. 相近位置板式熱電偶、點式熱電偶升溫曲線

Figure 9. Armor Plate Furnace Temperature and Ceramics Plate Furnace Temperature/Time Curve at the Similar Location

圖 9. 相近位置處鎧裝板式熱電偶與陶瓷板式熱電偶升溫曲線

Figure 10. Armor Plate Furnace Temperature and Imported Silica Plate Furnace Temperature/Time Curve at the Similar Location

圖 10. 相近位置處鎧裝板式熱電偶與進口二氧化硅板式熱電偶升溫曲線

(1) 板式熱電偶與點式熱電偶均滿足建筑構件耐火規范對爐溫精度的要求，均可以作為爐溫熱電偶使

用；

(2) 板式熱電偶在試驗初期，對溫度敏感度要低于點式熱電偶，但是整體的穩定性要高于點式熱電偶；

(3) 相近位置處，熱電偶受材質、類型及保護措施的影響不大，基本可以忽略。

基金項目

中國建筑科學研究院青年基金《板式熱電偶與普通熱電偶在耐火試驗中的應用研究》。