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(zhuǎn)換成熱電動勢信號， 通過電氣儀表(二次儀表)轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。

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

隨著國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)?zāi)芰υ絹碓綇?qiáng)，與接軌的速度與日俱增，越來越多的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)可以在國內(nèi)   實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，而國外標(biāo)準(zhǔn)中(ISO、EN 標(biāo)準(zhǔn))，對于熱電偶有自己地域的*要求。為了滿足國外標(biāo)準(zhǔn)要求， 同時也為了比較國內(nèi)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(gòu)件耐火試驗(yàn)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(nèi)采用鎳鉻鎳鋁板式熱電偶[1] [2]。BS 標(biāo)準(zhǔn)中，明確爐內(nèi)熱電偶采用鎳鉻鎳硅點(diǎn)式熱電偶[3]。

2.2. 國內(nèi)使用狀況

GB 標(biāo)準(zhǔn)中，明確爐內(nèi)熱電偶采用鎳鉻鎳硅點(diǎn)式熱電偶[4]。

2.3. 熱電偶分度表

我國已經(jīng)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(xué)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(xiàng)式為溫度與電壓值之間的對應(yīng)關(guān)系，表 1 為耐火試驗(yàn)中典型溫度與電壓值之間的對應(yīng)關(guān)系[5] [6]。

鎳鉻鎳鋁的分度表是由下列多項(xiàng)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(yàn)中典型 K 型(鎳鉻/鎳鋁)電動勢溫度關(guān)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(yàn)

3.1. 熱電偶準(zhǔn)備

3.1.1. 板式熱電偶

嚴(yán)格按照BS EN 規(guī)范中的熱電偶要求制作，爐內(nèi)熱電偶應(yīng)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(diǎn)式熱電偶

點(diǎn)式熱電偶嚴(yán)格按照 GB 要求進(jìn)行制作[5]，爐內(nèi)熱電偶采用符合 GB/T  16839.1 規(guī)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(yàn)設(shè)備

3.2.1. 兩種類型熱電偶的安裝

嚴(yán)格按照 EN 規(guī)范中的熱電偶要求制作熱電偶的位置不應(yīng)受燃燒器火焰的直接沖擊，并且距離戶內(nèi)所有側(cè)墻、底面和頂部不應(yīng)小于 450 mm。試驗(yàn)開始時平板測溫儀應(yīng)該距離待測結(jié)構(gòu)的背火面(100 ± 50) mm，并且在試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)方案

3.3.1. 升溫方案

本系列試驗(yàn)采用的升溫曲線為 ISO 標(biāo)準(zhǔn)時間—溫度曲線(如圖 2 所示)，此曲線的實(shí)質(zhì)是提供一個能合理代表火災(zāi)發(fā)生條件的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境條件，在該試驗(yàn)環(huán)境條件下，可以比較建筑結(jié)構(gòu)中具有代表性的不同構(gòu)件的耐火性能。

3.3.2. 試驗(yàn)對象

本系列試驗(yàn)主要針對 ISO、BS、EN 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的電梯耐火層門、防火玻璃、防火隔墻等等。

3.4. 試驗(yàn)結(jié)果

3.4.1. 試驗(yàn)對象統(tǒng)計(jì)

從課題立項(xiàng)至今，根據(jù) ISO 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了 5 次試驗(yàn)，歷經(jīng) 7 小時；根據(jù) BS 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了 16 次試驗(yàn)，歷經(jīng) 22 小時；根據(jù) EN 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了 49 次試驗(yàn)，歷經(jīng) 67 小時。

Figure 1. Two types of Furnace Thermocouples

圖 1. 兩種類型爐內(nèi)熱電偶

3.4.2. 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1) 點(diǎn)式熱電偶測量平均爐溫、板式熱電偶測量平均爐溫及標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線爐溫對比圖 3 為點(diǎn)式熱電偶爐溫、板式熱電偶爐溫及標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線圖示。

從大量試驗(yàn)可以得出：板式熱電偶平均爐溫和點(diǎn)式熱電偶平均爐溫與標(biāo)準(zhǔn)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?zé)犭娕际褂谩?/span>

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

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

(3) 相近位置處，點(diǎn)式熱電偶與板式熱電偶數(shù)據(jù)對比

圖 6、圖 7、圖 8 為相近位置處，板式熱電偶與點(diǎn)式熱電偶數(shù)據(jù)對比。

從大量試驗(yàn)可以得出：相近處，點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)時間—溫度曲線

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

圖 3. 點(diǎn)式熱電偶平均爐溫、板式熱電偶平均爐溫及標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線

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

圖 4. 各個點(diǎn)式熱電偶及標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)式熱電偶升溫曲線

(4) 相同位置處不同材質(zhì)板式熱電偶對比

圖 9、圖 10 為相近位置處，不同材質(zhì)板式熱電偶數(shù)據(jù)對比。

從大量試驗(yàn)可以得出：相近位置處，不同保護(hù)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(jié)論

從大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)口二氧化硅板式熱電偶升溫曲線

(1) 板式熱電偶與點(diǎn)式熱電偶均滿足建筑構(gòu)件耐火規(guī)范對爐溫精度的要求，均可以作為爐溫?zé)犭娕际?/span>

用；

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

(3) 相近位置處，熱電偶受材質(zhì)、類型及保護(hù)措施的影響不大，基本可以忽略。

基金項(xiàng)目

中國建筑科學(xué)研究院青年基金《板式熱電偶與普通熱電偶在耐火試驗(yàn)中的應(yīng)用研究》。