淺談熱電偶的溫度計量誤差

摘要:熱電偶是一種常用的溫度傳感器,應用相當廣泛。在長(cháng)期工作過(guò)程中,熱電偶性能會(huì )發(fā)生改變,產(chǎn)生測溫誤差。我國計量法規定，在熱電偶的使用過(guò)程中需要進(jìn)行周期性的檢定和修正,以確保熱電偶溫度計量的正確性。本文針對熱電偶的工作原理,產(chǎn)生誤差的原因及相應的解決辦法做了闡述。為正確選擇與使用熱電偶,保證其測量正確性提供了一定的技術(shù)參考。
　　熱電偶作為感溫元件,在溫度測量領(lǐng)域是不可缺少的,可以在-270℃~2800℃度的廣泛溫域內進(jìn)行測量,熟悉其工作原理,掌握和分析測溫誤差的來(lái)源會(huì )在很大程度上提高溫度測量的正確性。避免工作中不必要的損失出現。自從賽貝克發(fā)現熱電效應以來(lái),熱電偶已經(jīng)成為目前溫度測量領(lǐng)城中應用最廣泛的感溫原件之一,它具有測溫范圍廣,性能穩定,準確可靠,結構簡(jiǎn)單,熱慣性小,動(dòng)態(tài)響應速度快,信號能夠遠傳和多點(diǎn)測量等優(yōu)點(diǎn),其工作原理,由兩種不同金屬或合金組成的閉合回路,是最簡(jiǎn)單的熱電偶回路,這兩種不同金屬或合金的組成就稱(chēng)為熱電偶。熱電偶作為感溫元件，除了具有多方面的優(yōu)點(diǎn)以外,也會(huì )在一定程度上產(chǎn)生不同的誤差,這就需要在使用中不斷減少誤差的產(chǎn)生以確保測溫的有效性和正確性。
1熱惰性引入的誤差及處理辦法
1.1熱電偶的測溫
　　熱電偶測溫過(guò)程實(shí)際上是熱電偶與被測介質(zhì)間熱交換過(guò)程,需要-定的時(shí)間達到熱平衡,由于熱電偶的熱惰性使儀表的指示值落后于被測溫度的變化，在進(jìn)行快速測量時(shí)這種影響尤為突出。所以應盡可能采用熱電極較細、保護管直徑較小的熱電偶。測溫環(huán)境許可時(shí),甚至可將保護管取去。由于存在測量滯后,用熱電偶檢測出的溫度波動(dòng)的振幅較爐溫波動(dòng)的振幅小。測量滯后越大,熱電偶波動(dòng)的振幅就越小，與實(shí)際爐溫的差別也就越大。當用時(shí)間常數大的熱電偶測溫或控溫時(shí),儀表顯示的溫度雖然波動(dòng)很小，但實(shí)際爐溫的波動(dòng)可能很大。
1.2熱電偶的選擇
　　為了準確的測量溫度,應當選擇時(shí)間常數小的熱電偶。時(shí)間常數與傳熱系數成反比,與熱電偶熱端的直徑、材料的密度及比熱成正比,如要減小時(shí)間常數,除增加傳熱系數以外,最有效的辦法是盡量減小熱端的尺寸。使用中,通常采用導熱性能好的材料,管壁薄、內徑小的保護套管,比如高靈敏度的鎧裝熱電偶,采用變徑技術(shù)的小.惰性熱電偶產(chǎn)品。在較精密的溫度測量中,使用無(wú)保護套管的裸絲熱電偶,但熱電偶容易損壞,應及時(shí)校正及更換。同時(shí),熱電偶應盡可能保持垂直使用,以防保護管在高溫下變形。
2插入深度引起的誤差及消除方法
2.1測溫點(diǎn)的選擇
　　熱電偶的安裝位置,即測溫點(diǎn)的選擇是最重要的。測溫點(diǎn)的位置,對于生產(chǎn)工藝過(guò)程而言,熱電偶一定要具有典型性代表性,否則將失去測量與控制的意義。在計量檢定過(guò)程中,標準熱電偶與被檢熱電偶不僅需要保持一定的時(shí)間達到熱平衡,更要按規程要求的插人深度。熱電偶裝人管式爐內后,熱電偶的測量端應處于管式爐最高溫區中心。
2.2插人深度
　　熱電偶插入溫場(chǎng)深度要適合,熱電偶插人被測場(chǎng)所時(shí)，沿著(zhù)傳感器的長(cháng)度方向將產(chǎn)生熱流。當環(huán)境溫度低時(shí)就會(huì )有熱損失。致使熱電偶與被測對象的溫度不-致而產(chǎn)生測溫誤差?？傊?，由熱傳導而引起的誤差,與插人深度有關(guān)。而插人深度又與保護管材質(zhì)有關(guān)。金屬保護管因其導熱性能好，其插人深度應該深--些，約為直徑的15~20倍,陶瓷材料絕熱性能好,可插人淺一些,約為直徑的10~15倍。對于工程測溫，其插人深度還與測量對象是靜止或流動(dòng)等狀態(tài)有關(guān)，如流動(dòng)的液體或高速氣流溫度的測量,將不受上述限制,插人深度可以淺一些,具體數值應由實(shí)驗確定。在計量檢定中,為了保證被測數據的準確可靠,每一支熱電偶裝爐時(shí)的插人深度也是需要注意的檢定要點(diǎn)之一。
3補償導線(xiàn)連接的影響及修正辦法
　　有些小于750mm的熱電偶在計量檢定中是需要連接補償導線(xiàn)的，熱電偶與補償導線(xiàn)的連接也會(huì )使測量產(chǎn)生不同程度的誤差,其中補償導線(xiàn)型號與熱電偶的分度號必須對應,絕不能用錯,同時(shí)補償導線(xiàn)與熱電偶的兩連接點(diǎn)的溫度應相同,且不得超過(guò)規定的使用溫度。檢定時(shí),一般用補償導線(xiàn)檢定100℃點(diǎn),耐熱用補償導線(xiàn)檢定100℃點(diǎn)、200℃點(diǎn),也可根據需要在其他溫度點(diǎn)檢定。補償導線(xiàn)和熱電偶都有正負極之分,可根據電極硬度、電極.顏色或絕緣層顏色來(lái)區分,連接時(shí)極性不能接反,否則將產(chǎn)生反補,使測量誤差大大增加到不用補償導線(xiàn)的兩倍。熱電偶的正確使用是保證其測量正確性的必要條件。
　　熱電偶是當前應用最廣泛的測溫元件,并且在工業(yè)生產(chǎn)中的重要性是無(wú)可比擬的，正是由于它們的應用使我們的生產(chǎn)變得更加方便、快捷、正確。所以,無(wú)論在生產(chǎn)中還是計量檢定中,更應深人探索不同規格型號熱電偶的性能和有效使用。相信在21世紀,熱電偶將會(huì )在工業(yè)測量中發(fā)揮更巨大的作用。