工作用廉金屬熱電偶測量誤差的產(chǎn)生與修正

摘要:工作用廉金屬熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常用的感溫元件之一。本文闡述了工作用廉金屬熱電偶在使用過程中為減少測量誤差所進(jìn)行的選擇、外觀檢查及安裝基本要求，并簡要分析了此類熱電偶由于人為安裝操作不當(dāng)、設(shè)備不穩(wěn)定性、設(shè)備不均勻性、參考端溫度改變等諸多原因所產(chǎn)生的測溫測量誤差及誤差的修正方法。
1引言
　　工業(yè)上測量溫度所用的感溫元件種類繁多，工作用廉金屬熱電偶(以下在不引起歧義時(shí)簡稱為熱電偶)是其中應(yīng)用最廣泛一種。它具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測溫范圍廣和價(jià)格實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際工作中，影響熱電偶測溫結(jié)果的因素很多，以下從選擇、安裝要求入手，簡析熱電偶誤差的產(chǎn)生和修正方法:
要求
2工作用廉金屬熱電偶的選擇、外觀檢查及安裝
2.1工作用廉金屬熱電偶的選擇及外觀檢查
　　正確使用熱電偶是減少熱電偶檢測誤差的有效措施之一，因此在用熱電偶測溫的現(xiàn)場使用中應(yīng)注意以下幾點(diǎn):(1)選擇熱電勢合適的熱電偶(2)正確使用熱電偶的精度，(3)必須根據(jù)實(shí)際使用條件合理選用熱電偶(4)正確選用補(bǔ)償導(dǎo)線。各種補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶配用，否則不儀不能起到補(bǔ)償作用，反而會(huì)增加檢測誤差。(5)熱電偶在強(qiáng)電場的干擾下工作時(shí)，需將檢測端接地，接地材料應(yīng)與熱電偶中的一個(gè)電極材料相同，以免造成測量端成分變化(6)新制熱電偶電極應(yīng)平直、無裂痕、直徑應(yīng)均勻。使用中的熱電偶電極不應(yīng)有嚴(yán)重的腐蝕及明顯的縮徑等缺陷，熱電偶的測量端焊接應(yīng)牢固、星球狀，表面光滑，無氣孔、無夾渣。
2.2工作用熱電偶的安裝要求
　　熱電偶安裝和使用不當(dāng)，不僅會(huì)增加測量誤差，還會(huì)降低熱電偶的使用壽命。因此熱電偶在安裝過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn):(1)熱電偶應(yīng)選擇合適的安裝地點(diǎn)。將熱電偶裝于溫度較均勻且能代表工作溫度地方。不應(yīng)裝在加熱源太近的地方，應(yīng)盡可能避開強(qiáng)磁場和電場。熱電偶原參考端盡量避免溫度過高。(2)正確使用熱電偶的精度:熱電偶插入溫場深度要適合，一般不應(yīng)小于200mm熱電偶保護(hù)管與爐壁之間的空隙，須用石棉堵塞，以免空氣對(duì)流影響測溫正確性。(3)必須根據(jù)實(shí)際使用條件合理選用熱電偶，保證熱電偶的熱電特性的穩(wěn)定(5)熱電偶應(yīng)盡可能保持垂直使用，以防保護(hù)管在高溫下變形。若需水平安裝時(shí)插人深度不應(yīng)大于500mm,露出部分應(yīng)采用架子托牢，并在使用一"段時(shí)間后，將其旋轉(zhuǎn)180°。
3補(bǔ)償導(dǎo)線所引起的誤差及修正方法
　　由熱電偶的測溫原理得知，只有當(dāng)熱電偶的參考端溫度保持不變時(shí)，其熱電勢才是被測溫度的單值函數(shù)。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于熱電偶的參考端和測量端經(jīng)常離的很近，而且參考端又暴露在空氣中，容易受到周圍環(huán)境溫度的影響，使參考端溫度難以保持恒定。為了消除因參考端溫度波動(dòng)所引起的測量誤差，可將熱電偶做的很長，使其參考端遠(yuǎn)離測量端。但這樣一來會(huì)造成熱電極材料的浪費(fèi)，特別是對(duì)于由貴金屬組成的熱電極材料這樣做很不經(jīng)濟(jì)。補(bǔ)償導(dǎo)線就是為解決這個(gè)問題而產(chǎn)生的，它的特點(diǎn)是在參考端溫度可能變化的范圍內(nèi)(0℃~100℃或200℃),補(bǔ)償導(dǎo)線與相連接的熱電偶具有相同的熱電特性，熱電偶回路加入相應(yīng)型號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線后，其熱電勢僅與測量端溫度和補(bǔ)償導(dǎo)線與儀表連接處溫度有關(guān)，而與熱電偶本身參考端的溫度變化無關(guān)，就好像把熱電偶延長了-樣，所以在測溫中，使用熱電偶用補(bǔ)償導(dǎo)線，可以將熱電偶參考端延伸到遠(yuǎn)離熱源和環(huán)境溫度較穩(wěn)定的地方，以便于正確地對(duì)參考端溫度進(jìn)行修正，減少因參考端溫度過高和波動(dòng)引起的測量誤差，達(dá)到測溫的目的。
4現(xiàn)場干擾引起的誤差及消除方法
　　在現(xiàn)場使用高溫下，熱電偶絕緣材料及加熱爐的耐火磚絕緣性能的降低，使加熱爐的電源經(jīng)發(fā)熱體、爐磚、熱電偶保護(hù)管及絕緣材料泄露到熱電極上造成漏電干擾，及在熱電偶測量回路附近有大功率電機(jī)、變壓器、強(qiáng)電流導(dǎo)線等。都會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的交變磁場、高壓電場或較大的地電流，它們?cè)跓犭娕紮z測回路中，將產(chǎn)生附加電動(dòng)勢，造成檢測誤差，嚴(yán)重時(shí)甚至無法檢測。
5熱電偶不均勻性和不穩(wěn)定性的影響及消除方法
5.1不均勻性的影響
　　熱電偶的均勻性是指熱電偶熱電極材料的均勻程度。熱電偶兩熱電極若是均勻的，則熱電偶回路的熱電勢只與兩端溫度差有關(guān)，而與熱電極長度的溫度梯度無關(guān)，若兩熱電極材料不均勻，熱電偶回路就會(huì)產(chǎn)生-個(gè)附加熱電勢。從而降低了測溫的正確性，產(chǎn)生測量誤差。在使用過程中，偶絲局部受拉伸、彎曲變形以及在高溫下介質(zhì)氣氛、保護(hù)管、絕緣材料等對(duì)熱電極的局部玷污、腐蝕或晶粒結(jié)構(gòu)的改變都會(huì)使熱電極材料產(chǎn)生不均勻性。為了減小此項(xiàng)誤差對(duì)測量結(jié)果的影響，熱電偶在使用過程中都必須嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)方法進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的不均勻性熱電勢要求見表1。
 
5.2影響熱電偶不穩(wěn)定性因素
　　不穩(wěn)定性是指在一定溫度下，熱電偶的熱電特性隨時(shí)間和使用條件的不同而發(fā)生變化的程度，如果不穩(wěn)定性嚴(yán)重，熱電偶的熱電特性變化就大，測溫的正確性就差，反之穩(wěn)定性越好，熱電偶的熱電特性變化就小，測溫的正確性就高。因此，不穩(wěn)定性反映了熱電偶測溫的正確程度。影響熱電偶不穩(wěn)定性因素有很多，下面分析幾個(gè)主要因素:
5.2.1高溫下環(huán)境對(duì)熱電偶的玷污和腐蝕
　　熱電偶在使用過程中，不可避免的要受到保護(hù)管雜質(zhì)或環(huán)境氣氛的玷污和腐蝕，這種玷污、腐蝕就會(huì)造成熱電偶的熱電特性騙你原來的分度特性，從而引起誤差。玷污、腐蝕的程度不同，造成的影響不同。即熱電特性改變的程度不同，引入的誤差也不同。--般認(rèn)為這是造成熱電偶不穩(wěn)定性的一個(gè)主要因素。
5.2.2熱電偶在使用中氧化和揮發(fā)
　　很多熱電偶的熱電極材料在使用過程中要與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如鎳鉻-鎳硅、銅-康銅等，使用熱電極材料的成分發(fā)生變化。從而導(dǎo)致其熱電特性發(fā)生改變。如果熱電極是均勻氧化，造成的影響可能小一些，若是擇優(yōu)氧化，所造成的影響是很嚴(yán)重的，即熱電特性的改變很大。如鎳鉻-鎳硅熱電偶的鎳鉻電極在弱氧氣氛中鉻將擇優(yōu)氧化，從而使偶絲材料的組分發(fā)生變化。
5.2.3脆化和輻射
　　熱電偶的熱點(diǎn)及由于玷污、晶粒生長以及發(fā)生氧化還原反應(yīng)和長期在高溫下載結(jié)晶等因素，都死導(dǎo)致熱電極脆化的原因，熱電極用于原子反應(yīng)堆中，受到中子轟擊，其中某種元素蛻變成其他元素，改變了熱電極成分。如鎧裝鉑銠熱電偶的銠會(huì)轉(zhuǎn)變成鈀，少量的鉑會(huì)先變成金，在轉(zhuǎn)變汞。使熱點(diǎn)特性發(fā)生變化，熱電勢變小。而廉金屬熱電偶有的對(duì)中子輻射嬗變不明顯，如鐵、鎳鉻、鎳硅。但銅在輻射下嬗變引起很大的成分改變。因此再有中子輻射的情況下，使用鎳鉻-鎳硅熱電偶比較適宜。
5.2.4熱電偶受外力作用引起變形所產(chǎn)生的應(yīng)力
　　熱電偶在高溫時(shí)，熱電極材料的強(qiáng)度會(huì)降低，如果熱電偶安裝不當(dāng)，例如水平安裝，則在高溫下回會(huì)因自重的影響向下彎曲變形，或者熱電極受到外力作用引起變形，這些變形均會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，從而改變熱電特性。因此應(yīng)注意避免熱電極受外耐熱金屬支架來支撐，以防止彎曲。
6參考端溫度變化所引起的誤差及實(shí)驗(yàn)分析
　　熱電偶是基于熱電效應(yīng)進(jìn)行溫度測量的，焊接的一-端叫測量端，未焊接的一端叫參考端。由熱電偶的測溫原理可知，熱電勢的大小與熱電偶兩端溫度有關(guān)，要正確的測量溫度，必須使參考端的溫度恒定，所以實(shí)驗(yàn)室檢定時(shí)參考端溫度一般恒定在0℃，這也便于制造有統(tǒng)--的標(biāo)準(zhǔn)。因此在現(xiàn)場使用時(shí)應(yīng)有能測量參考端溫度并對(duì)參考端溫度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臏囟葍x表。在對(duì)熱電偶進(jìn)行檢定時(shí)，參考端溫度的變化會(huì)對(duì)檢測結(jié)果產(chǎn)生巨大的影響，從而影響熱電偶的檢定，我們使用器號(hào)為:150325074熱電偶進(jìn)行2次實(shí)驗(yàn)分析如下:
 
 
　　根據(jù)兩次實(shí)驗(yàn)的比對(duì)發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室對(duì)熱電偶檢定時(shí)參考端溫度如果沒有保持在0℃恒溫，就會(huì)使測量結(jié)果偏離實(shí)際值。從而造成測量的不正確性。在現(xiàn)場使用時(shí)也必須選擇實(shí)時(shí)測量參考端溫度并進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)膬x表。
7結(jié)語
　　通過上述誤差來源綜述，可得出結(jié)論:熱電偶的不穩(wěn)定性、不均勻性、參考端溫度變化以及熱電偶安裝使用不當(dāng)都可以引起測量誤差，其中參考端溫度變化對(duì)測量的影響較大。