熱電偶測溫誤差的來源與處理

摘要:熱電偶廣泛應用于溫度測量的各個環節,然而其自身特性與生產環節對其測量結果有顯著的影響,可能造成測量誤差。一方面，從內部結構來看,偶絲不可避免地存在應力及品格的不均勻性。另一方面，從熱電偶的生產過程來看,工序和環境氛圍會直接影響熱電偶的性質。依據這一思路,從認識熱電偶的性能和使用方法上著手，囊括了從熱電偶本身性能到實施環境的全操作環節,對測溫誤差的來源進行了剖析,并提出了具有針對性的處理方法。目的在于通過把熱學理論與實踐操作相結合,得到縮小測量誤差的方法論，針對可能的原因進行排查,便于構建整個實施加復查的測量環節,提升輸出結果和合格性判斷的可信性，同時提高測量水平和測量準確性。
　　熱電偶作為一種常見的熱電式傳感器,在溫度測量環節中得到了廣泛的應用。熱電偶主要的工作機理.建立在熱電效應的基礎.上，通過將溫度變化轉化為電勢的變化進行測量。在實際工作中,由于熱電偶具有結構簡單、制造容易、測量方便等優點，該方法成為了測量校驗中的重要環節。然而，由于熱電偶本身的性質和操作環節中的潛在風險，熱電偶的測量可能存在系列誤差，直接影響到結果的輸出和合格性的判斷”。因此，探索熱電偶測量結果的影響因素,利于進一步挖掘熱電偶測量誤差產生的原因，并針對可能的原因進行排查和校準，有助于完善整個測量環節,提升工作效率，同時提高測量水平和測量準確性。
　　對熱電偶穩定性的排查和對誤差產生原因的解讀,需要建立在理論的基礎_上,通過與實踐經驗的結合,得到縮小誤差的方法結論'。依據這一思路,從認識熱電偶的性能和使用方法上著手，分別從熱電偶的熱電特性、參考端的溫度,以及操作測量系統三個角度,探討了可能造成測量誤差的潛在因素,以及具有針對性的處理方法。
1熱電特性不穩定的影響
　　熱電偶在使用過一段時間后，熱電特性將會明顯發生改變,主要表現為熱電偶的分度值隨使用時間和使用條件的不同而發生變化。當變化顯著且超出了規定的范圍時，測出的溫度將遠遠偏離真實溫度,從而影響工藝過程中的溫度控制和產品質量,嚴重時還會造成產品不合格和加熱設備的損壞。因此,熱電偶的穩定性和均勻性就是熱電偶熱電特件相對穩定程度的一個重要指標，而它的變化就是造成實際工作中測溫不準確的主要因素。
1.1不均勻性的影響
　　熱電偶的“不均勻電勢”會直接影響測溫結果。熱電偶的均勻性是指熱電偶的極材料的均勻程度。熱電偶兩熱電極若是均勻的，由相關理論可知，其熱電勢與兩端點的溫度有關，而與熱電極長度的溫度分布無關。若兩熱電極的材料不均勻，而熱電極又處于溫度梯度場中,則熱電偶會產生一個附加熱電勢,即“不均勻電勢”,這個不均勻電勢將會影響熱電偶回路的總.熱電勢。所以說“不均勻電勢”的存在會使熱電偶的熱電特性發生改變,從而降低了測溫的準確性。
　　可以通過簡單的架構進行熱電偶測溫誤差的定量計算。不均勻的熱電極可以看作是微小的異質金屬元件的集合，每段元件是由化學成分不同的均勻的金屬元件(如圖1所示)A1,A2,A3,.,Ai及B1,B2,B3,.,Bi;結合構成的熱電偶回路。沿著各元件具有的溫度梯度,在各個金屬元件間接合點上的溫度分別為T1,T2,n+1。
 
　　根據標準電極N的方法，可以求得電路中發生的全部溫差熱電勢E,即回路的總電勢E'(如式1)。假設A,B是均質導體制成的熱電偶，可得其回路總電動勢(如式2)。兩者之差即為不均勻導體組成的熱電偶回路產生的測溫誤差(如式3)。由于熱電極材料A和A,Bi，和B很接近，它們對應各部分的塞貝克系數SAIA和SBIB可以近似地認為是線性的,因此測溫誤差可以進一步化簡(如式4)。從理論推演可知，不均勻的熱電偶可能存在重大的測量誤差。而在具體工作中,所使用熱電偶的不均勻電勢引起的附加誤差更為明顯，有時高達30℃之多。這將嚴重地影響熱電偶的穩定性和互換性,并直接影響溫度量值傳遞的一致性。
 
1.2不均勻性的產生原因
　　造成熱電極不均性的原因很多，主要可以分為化學成分和物理狀態兩個方面田。一方面,化學成分表現為:①雜質分布不均勻和成分的偏析。此原因無法避免,而且遍及熱電極的整個長度。②熱電極表面局部的金屬揮發和氧化。③熱電極中某些元素的選擇性氧化。④測量端長期在高溫下的熱擴散,改變了測量端附近的化學成分。⑤環境氣氛、絕緣材料和保護管材料對熱電極局部的沾污和腐蝕。另一方面，物理狀態表現為:①應力分布的不均勻使熱電極沿長度出現的熱電特性不一致。②晶體結構的不均勻，熱電極的晶粒大小對熱電特性也會有影響。其中較為重要的3點進行著重闡述。
1.2.1玷污
　　偶絲材料往往容易受到環境氣氛或保護管雜質的玷污,這是造成熱電偶示值不穩定的主要因素之一。不同程度的玷污所產生的附加電勢也不同，這種附加.電勢將改變原來的分度特性。具體而言,對于鉑銠10-鉑熱電偶，在使用的陶瓷套管中含有鐵的雜質，高溫狀態下,銠絲受鐵玷污后，其熱電特性將受到影響。而當在含硅的偶絲在高溫還原性氣氛中使用時，由于硅被還原成自由硅而與鉑銠絲化合成為鉑硅化合物，會造成偶絲變脆。檢定標準熱電偶所用的絕緣瓷管都要求用王水清洗，高溫烘烤井規定正負極的穿孔極性，在某種程度上可以控制這一偏誤的產生。但若在工作中把熱電極的極性穿錯,原來穿鉑銠孔中的鉑會向鉑極滲透而改變標準熱電偶的熱電特性，從而影響熱電偶的穩定性。
1.2.2氧化和還原
　　偶絲氧化也是造成熱電偶不穩定性的一大重要原因,例如,常用的鎳鉻-鎳硅、銅-康銅等熱電偶都能與氯發生化學反應。同時，氧化造成的不穩定影響還可能存在程度上的差別，這主要是由熱電極的不同性質導致的。具體而言，如果熱電極被均勻氧化,那么氧化過程的影響對整體不均勻性的負面作用則相對有限。而如果熱電極具有擇優氧化的性質，則氧化過程將會直接影響偶絲的作用，例如，在低氧分壓中，鎳鉻電極中的鉻將產生擇優氧化，偶絲的組合成分將會發生改變，直接影響到偶絲的作用。
1.2.3高溫與脆化
　　偶絲熱電極在高溫下的揮發也是造成測量誤差的一大原因。熱電偶的偶絲材料多數是合金材料，而由于各組材料的蒸氣壓不同，所以揮發的程度也不同。當熱電極在高溫下使用一段時間，揮發程度的差異將直接導致合金成分比例的改變,進一步造成熱電勢產生明顯變化。
　　與此同時，脆化的問題相伴而生。脆化是造成熱電偶報廢的最普通的因素。主要是由玷污、晶粒生長、氧化和長期體用于高溫下再結晶等多種因素導致的。換而言之，以上提到的諸多造成偶絲不均勻、不穩定的因素，都可能直接或間接造成偶絲的脆化，影響電偶使用的生命周期。
　　總而言之，從熱電偶的生產過程來看,偶絲需要經過多道縮徑拉伸,這一工序會使其表面受到玷污。物理狀態的不一致性對偶絲的塞貝克系數有影響，從而影響了熱電偶示值的穩定性。具體到工作中,一支退火不合格或未經退火的熱電偶被用來測溫，所造成的誤差可達十分之幾度到幾度，其準確性十分存疑。這也是在實際工作中熱電偶必須退火的主要原因。退火的過程可以改善組織結構,細化品粒，提高機械性能，消除內應力，并可使產生的組織不均勻得到一-定程度.的改善。
2參考端溫度的影響
　　參考端的溫度是影響測量結果的重要因素熱電偶熱電動勢的大小與熱電極材料、工作端的溫度直接相關。熱電偶的分度表和對應分度表刻度的溫度顯示儀表，都是以熱電偶參考端溫度等于0℃為條件的。換而言之，如果參考溫度不等于0℃,盡管被測溫度恒定不變,熱電勢也會隨著參考端溫度的變化而變化。
　　以上結論可以通過理論公式進行展現。設定被測溫度為t,參考溫度為t,，熱電勢為EAB，其變化大小可根據熱電偶的中間溫度定律求得(式5)。該式表示，當參考溫度tn>0℃時，熱電偶的熱電動勢減少了EAB(tn，t0)，因而將使測量儀表的示值下降。
 
　　在進行測溫時,熱電偶參考端溫度的不均勻同樣也會造成明顯的測溫誤差。根據中間導體定律，在熱電偶回路中，只要中間導體兩端溫度相同,那么接入中.間導體的過程應當對熱電偶回路的總電勢沒有影響。換而言之,當中間導體的兩端溫度不相同時,將存在引.入中間導體造成的誤差。
　　同樣可以通過理論推導說明這一問題。由式(6)~式(10)可知，由于電極B偏離T0度,使得電極B與連接導線C構成新的熱電偶,其誤差熱電勢為EAB(T´0，T0)
 
　　具體而言，假設電極B為鉑極，連接導線C為銅導線,在檢定標準熱電偶時溫度相差0.1℃,誤差熱電勢將高達-0.7μV,對結果的影響十分顯著。因此，在堅定鎳鉻-鎳硅電偶時，參考端在空氣中散熱較大。而由于電爐的熱輻射，使得參考端溫度不均勻，從而容易造成較大的測溫誤差。因此，參考端溫度不等于0℃對被測溫度的準確性有十分重要的影響。在日常工作中，要使參考端溫度保特在相對準確的范圍，必須采取修正或補償措施。
3測量系統的影響
3.1動態響應誤差
　　動態響應誤差是指，熱電偶的熱惰性會造成示數過程中的動態誤差。由于熱電偶本身具有熱惰性,在熱電偶插入被測介質后，不能立即指示出被測溫度。其示值將逐漸上升,一直到測量端吸熱并放熱達到動態平衡后才出現穩定的示值。因此,在熱電偶插入后.到示值穩定之前的整個不穩定過程中,熱電偶的瞬時示值與穩定后的示值顯然存在普偏誤差”。這時的結果除了有其他與穩定性相關的誤差外，還存在由熱電偶熱惰性引入產生的偏差,這個誤差的存在使儀表.指示值落后于被測溫度的變化。
3.2熱電偶安裝位置的影響
　　熱電偶安裝位置不當或插入深度不對時，都不能反映爐內的真實溫度。通常而言，熱電偶的最小插入深度一般應大于保護管外徑的810倍。但由于熱電偶的保護管與爐壁間的間隙未填充其他絕緣物質，爐內熱源溢出和爐外冷空氣進入，會使得爐內的溫度不恒定。當熱電偶的參考端太靠近爐體時，參考端的溫度將會受到明顯影響，從而擴大已有的誤差。
3.3測量系統漏電的影響
　　絕緣不良是產生電流泄漏的主要原因，也是影響熱電偶測溫精度的核心因素之一。測量系統漏電能歪曲被測的熱電勢,使儀表顯示失真，甚至不能正常工作。具體而言，漏電引起的誤差表現在多個方面，其中最為主要的是高溫條件下絕緣體性能下降導致的高溫漏電。
　　在日常工作中,電測設備漏電也能影響工作電流旁路，使測量產生誤差,影響熱電勢測量漏電的原因主要來自被測系統的電爐。常用的加熱設備大多是阻性爐和感性爐,由于電氣加熱設備在高溫下的絕緣性能明顯降低,因而產生高溫漏電，形成干擾信號。熱電極絕緣瓷管的絕緣電阻較差,能使熱電流旁路、熱電偶的端電壓下降。具體而言，當溫度升到800℃以上時,其電阻率極大地降低,絕緣性能會顯著惡化。因此，高溫下絕緣問題造成的漏電，可能會對測量結果造成很大的影響,需要修正措施的適當干預。
4結束語
　　隨著工藝的發展與技術的提高,對熱電偶精度的要求也將隨之提升，控制和處理測量誤差愈發重[10]要。從理論和實踐兩個角度出發，對熱電偶自身的材料和性能，以及在日常測量操作中的環境氛圍.等方面,全面剖析了影響熱電偶測溫誤差的三方面因素。以備在實際工作中更好地預防和解決測量誤差的.問題，從而提升工作效率，確保熱電偶檢測過程的準確性，真正將理論知識落實到實踐工作層面。