T型熱電偶實(shí)驗選取標定與誤差分析

摘要：本文以T型熱電偶為例，采用固定溫度點(diǎn)法對其進(jìn)行校核，得到熱電偶的溫差函數，并對誤差進(jìn)行分析。結果顯示，熱電偶隨著(zhù)固定點(diǎn)溫度變化呈現較好的線(xiàn)性關(guān)系，且同型號的熱點(diǎn)偶仍存在較大地差異，應在使用前進(jìn)行校核實(shí)驗。通過(guò)實(shí)驗數據對T型熱電偶現存的問(wèn)題進(jìn)行分析，為T(mén)型熱電偶的使用提供相關(guān)參數依據。
0引言
       熱電偶是目前市場(chǎng)上常用的一種測量溫度的工具，因其具有簡(jiǎn)易結構、精度高、測量范圍廣、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于生產(chǎn)生活中用于實(shí)時(shí)測溫等[1-2]。
       T型熱電偶具有精度高、性能穩等特點(diǎn)[3]，廣泛應用于中低溫范圍測溫中。但目前市場(chǎng)上對于室溫范圍內的測量使用以及選型大多以K型熱電偶為主[4-5]，對于測溫較好的中低溫的T型熱電偶很少使用，且現有市場(chǎng)生廠(chǎng)廠(chǎng)家繁多，生產(chǎn)出來(lái)的材質(zhì)各不統一，難免會(huì )存在同型號熱電偶與熱電偶之間的差異。其次，目前國內外學(xué)者主要注重于對熱電偶的選型和誤差分析[6-7]，適用場(chǎng)合[8]，以及應用等研究[9-10]。雖已取得了一定的研究成果，但對其T型熱電偶的校核標定以及分析相對有限，對其具體應用于室溫范圍內的測試誤差研究更加略顯不足[11]。此外，由于安裝以及使用者自身等原因也會(huì )加大這一問(wèn)題的嚴重性，致使熱電偶存在很大的偏差，不能反映實(shí)際狀態(tài)下的工作溫度，很難滿(mǎn)足實(shí)驗需求。因此，針對這一問(wèn)題，本文選取種T型熱電偶為常溫測試的研究對象，根據使用條件進(jìn)行對比校核實(shí)驗。
1溫差電偶的測溫原理及使用方法
1.1測溫原理
       熱電偶又被叫做溫差電偶,是指由兩種不同的材料的導體彼此緊密接觸而組成的巴。當兩個(gè)接觸點(diǎn)存在一定的溫差時(shí)，在回路中就有電流產(chǎn)生,因此兩個(gè)接觸點(diǎn)存在電動(dòng)勢,該電動(dòng)勢稱(chēng)溫差電動(dòng)勢或熱電動(dòng)勢,如圖12所示。

       熱電偶一般是由兩種不同金屬材料的一段焊接而成,如圖1所示,A、B稱(chēng)為熱電極,焊接的一段直接接觸被測熱場(chǎng)的T端稱(chēng)為測量端,沒(méi)有焊接的--段則連接測量設備，處于恒定溫度T2端稱(chēng)為參考端叼。T、T2相差越大,輸出的電動(dòng)勢就越大,熱電偶可以通過(guò)熱電動(dòng)勢的大小間接得到溫度的大小。因此,溫差電偶的測溫范圍取決于制作溫差電偶的材料，常用的有:T分度熱電偶(中低溫區)、K和N分度熱電偶(中高溫區)、S和R、B分度熱電偶(高溫區)用。
1.2熱電偶使用方法
       如圖2所示，在使用熱電偶的同時(shí),需根據接線(xiàn)示意圖進(jìn)行正確地接線(xiàn)。在標定前必須進(jìn)行外觀(guān)檢查、焊接點(diǎn)檢查是否光滑、牢固等可能出現的問(wèn)題,其次對正負極的接入要嚴格按照正反進(jìn)行連接,同時(shí)檢.查電勢是否正常，檢查熱電極是否變脆，老化,變色以及腐蝕等問(wèn)題。

       本文采取固定溫度點(diǎn)法發(fā)進(jìn)行熱電偶標定實(shí)驗，具體是指在所測溫度范圍內,選取固定端參考溫度(0℃到60℃)正常范圍內，盡可能多的在選取范圍內選取篤定點(diǎn)就行校核。實(shí)驗末端的測量設備選取KEITHLEY2701。實(shí)驗選取了市場(chǎng)上常用的3家T型熱電偶作為實(shí)驗材料，每根長(cháng)度為3m,分別編為1、2、
3進(jìn)行實(shí)驗研究。
2討論與分析
2.1采用固定溫度點(diǎn)發(fā)進(jìn)行標定
       從圖3中可以看出,3種不同的編號的熱電偶均呈現出相同的趨勢，且類(lèi)似于較好的線(xiàn)性趨勢。1號熱電偶與標準固定溫度點(diǎn)的數值相差不大?？梢钥闯?，熱電偶的測溫性能十分可靠。但在溫度相對較低時(shí)則呈現出相反的趨勢,在0℃左右時(shí),熱電偶呈現出左右波動(dòng)，其可能出現的原因是存在一個(gè)時(shí)間常數的影響4,造成熱電偶示數與固定點(diǎn)之間的差異。同樣,2號、3號熱電偶均呈現出與1號熱電偶相同的線(xiàn)性趨勢，且3號熱電偶與標準固定溫度點(diǎn)的數值相差略大于1號、2號熱電偶所呈現出的趨勢?？赡艽嬖诘脑蚴情L(cháng)度以及接觸點(diǎn)的問(wèn)題導致不同熱電偶之間存在.著(zhù)一定的差異,但總體來(lái)說(shuō),熱電偶在一定范圍內具有很好的測溫效果。

2.2不同編號熱電偶之間的差異
       從圖4中可以看出,1、2、3號熱電偶存在較大地差異,且3號熱電偶的最高。在低溫時(shí)2號熱電偶的最低,當溫度升高時(shí)1號熱電偶的最低。在相同范圍內,3號熱電偶的度數更加接近于真實(shí)數值，更能反映實(shí)際情況。將3條熱電偶進(jìn)行多項式擬合,得到公式如表1所示。

       從表1中可以看出,熱電偶均呈現出良好的線(xiàn)性關(guān)系,但熱電偶之間也存在著(zhù)較大的差異，當測試儀器讀數為0時(shí)，此時(shí)呈現出,3號熱電偶>1號熱電偶>2號熱電偶,1、2、3號熱電偶對應的實(shí)際值分別為8.863℃、6.291℃、6.392℃,1號熱電偶對應的實(shí)際值比2號熱電偶對應的實(shí)際值高出2.572℃,1號熱電偶對應的實(shí)際值比3號熱電偶對應的實(shí)際值高出2.471℃,3號熱電偶對應的實(shí)際值比2號熱電偶對應的實(shí)際值高出0.101℃。當溫度升高時(shí),1、2號熱電偶呈現出相反趨勢，呈現出3號熱電偶>2號熱電偶>1號熱電偶。因此,3種不同的熱電偶存在性能差異可能與熱電偶絲不均質(zhì)有關(guān)，文獻[6]給出這-結論，驗證了本文的正確性。
3誤差分析
3.1熱電偶自身存在的因素
       一般來(lái)說(shuō)熱電偶若是由均質(zhì)導體制成的，則其熱電勢只與兩端的溫度有關(guān)，若熱電極材料不是均勻的，且熱電極又處于溫度梯度場(chǎng)中，則熱電偶會(huì )產(chǎn)生一個(gè)附加熱電勢,即“不均勻電勢”間。其大小取決于熱電偶長(cháng)度的溫度梯度分布、材料的不均勻形式、不均勻程度,以及熱電極在溫度場(chǎng)所處的位置。
       造成熱電偶不均勻性的主要原因有:如化學(xué)成分中雜質(zhì)分布不均勻,成分含量的偏差,以及熱電偶表面局部的氧化問(wèn)題,熱電偶在有些物質(zhì)或者氣體中受到腐蝕和干擾等會(huì )造成偏差。而對于新制的熱電偶,還存在加工問(wèn)題,彎曲以及焊點(diǎn)存在氣密性有氣泡等都會(huì )致使熱電偶在生產(chǎn)加工中存在畸變,會(huì )對測試造成誤差間。
       其次，熱電偶同時(shí)也存在著(zhù)不穩定性:不穩定性具體是指熱電偶的分度值隨使用時(shí)間和使用條件的不.同而起的變化。在大多數情況下影響不穩定性的因素有:污染覆蓋,熱電極在高溫下易揮發(fā),氧化和還原,甚至存在老化、脆化以及焊點(diǎn)開(kāi)焊等現象。需進(jìn)行定期維修除去表面污物,改善其熱電偶特性,延長(cháng)熱電偶壽命,尤其在測試前期需對熱電偶進(jìn)行嚴格篩選和檢查。
3.2實(shí)驗系統對實(shí)驗結果的影響
       熱電偶安裝影響:熱電偶應按照使用要求進(jìn)行布點(diǎn)，應安裝在能代表被測介質(zhì)溫度處,避免裝在閥門(mén)處、彎頭拐角處及管道、設備的死角不好操作的附近。當熱電偶插入深度超過(guò)1m時(shí),應盡可能的垂直安裝，或加以支撐保護嗎。若熱電偶較長(cháng),則長(cháng)度過(guò)長(cháng)則會(huì )存在溫度梯度,因此測量端必然會(huì )沿熱電極導熱,一部分熱量會(huì )從溫度較高的熱端經(jīng)過(guò)保護套管、熱電極等傳到溫度較低的冷端。這樣熱電偶測得的溫度較之實(shí)際.溫度會(huì )偏低,因此為了減少誤差,可采取如下措施:增加熱電偶的插入深度或者盡可能采用熱傳導系數小的材料作保護套管。
測量系統漏電分流影響"7:熱電偶在結構上存在缺陷等會(huì )使絕緣層出現漏電現象,對熱電偶溫差電動(dòng).勢的測量有很大影響，使測量結果整體變小，甚至出現測量值無(wú)法顯示的故障。而出現漏電引起誤差是多方面的,一般可能是智能控溫實(shí)驗儀漏電、電位差計漏.電、絕緣層老化漏電，都可能使工作電流出現損失,使測量產(chǎn)生誤差。
3.3電動(dòng)勢測量時(shí)產(chǎn)生的誤差
       冷端補償的選擇凹:根據熱電偶測溫原理，熱電偶的溫差電勢只反映出來(lái)的是相對溫度,而熱電偶在回路中的熱電動(dòng)勢的大小不僅與測量端的溫度密切相關(guān),而且與參考端的溫度也有關(guān)系，它是由兩者的溫度的差值共同決定的，因此參考溫度的選擇對實(shí)驗的結果的精度影響很大?，F有情況下選擇的參考端溫度等于0℃,然而在實(shí)際使用熱電偶測溫過(guò)程中，冷端溫度很難維持，甚至不為0℃,而且往往是變化的。文獻[3]利用軟件實(shí)現冷端補償,提高測試精度,并進(jìn)行了實(shí)驗方案可行性研究。其次室溫存在很大的波動(dòng)性,不宜作為溫度定標實(shí)驗的參考溫度,而且在實(shí)驗過(guò)程中還會(huì )出現人為誤差因素的影響、測量?jì)x器精度等問(wèn)題。其中測量?jì)x器的精度等級的選擇要考慮測溫點(diǎn)要求的正確率是否匹配等都需要考慮用,而不是盲目的直接拿過(guò)來(lái)測試。
時(shí)間常數:一般在溫度穩定或變化很慢的對象。上測量溫度時(shí),動(dòng)態(tài)誤差很小,但對溫度變化很快的對象,動(dòng)態(tài)誤差就會(huì )增大,通常用時(shí)間常數1來(lái)表征熱電偶響應速度的快慢,時(shí)間常數越小，響應越快,動(dòng)態(tài)誤差就越小。因此,時(shí)間常數的大小是決定動(dòng)態(tài)誤差的主要因素。
3.4熱電偶實(shí)際應用中減小實(shí)驗誤差方法
1）根據實(shí)驗環(huán)境所需匹配適合量程下的熱電偶型號。
2）根據實(shí)際環(huán)境選擇合適的冷端補償器。
3）熱電偶的安裝深度應放在中間位置，且不要隨意更改變動(dòng)。
4）熱量沿熱電極傳導，熱端與周壁的熱交換等熱損失，會(huì )產(chǎn)生溫度測量誤差，盡量縮小熱電偶測量端的尺寸，并使體積與面積之比盡可能小，以減小測量端的熱容量，提高響應速度。
5）采用導熱性能好的材料做保護管，管壁要薄，內徑要小，減小保護管與熱電偶測量端之間的空氣間隙或填充傳熱性能好的其它材料。
6）測量時(shí)要在智能恒溫控制儀的溫度穩定時(shí)方可讀數。
7）在熱電偶接線(xiàn)時(shí)嚴格按照圖紙進(jìn)行，正負極的接法以及檢測。
4結論
本文通過(guò)對T型熱電偶實(shí)驗原理、標定過(guò)程以及誤差等幾方面進(jìn)行綜合分析，初步得到以下結論：
1）熱電偶隨著(zhù)固定點(diǎn)溫度變化均呈現較好的線(xiàn)性關(guān)系，且同型號的熱點(diǎn)偶仍存在較大地差異，應在使用前進(jìn)行校核實(shí)驗。
2）同型號的熱電偶進(jìn)行標定比較發(fā)現，3號熱電偶效果更好，更能符合實(shí)際溫度的需求，但仍然存在差異。
3）通過(guò)對熱電偶的標定實(shí)驗以及誤差進(jìn)行分析，結果發(fā)現電偶需綜合考慮自身以及外界的因素共同影響。為今后實(shí)驗材料的選取以及儀器維護、校核、維護提供了經(jīng)驗參考，有助于實(shí)驗正常有序的進(jìn)行。