快速鎢錸熱電偶的測溫誤差

[摘要]文章用熱電偶誤差計算的通用方法(極限誤差表達法)，分析了構(gòu)成快速鎢錸熱電偶測溫誤差的因素，從量的角度探討了各因素對總的誤差的影響，對如何認識快速鎢錸熱電偶的測溫精度，提出了可供參考的觀點。
       鋼水測溫是煉鋼過程中控制材料成份和保證冶煉質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，我國用于鋼水測溫的元件主要有兩大類:(1)鉑銠系列;(2)鎢錸系列?，F(xiàn)每年全國共需鋼水測溫快速熱電偶約15000萬支。1990年以前，使用的幾乎全是快速鉑銠熱電偶，自1990年起，由于鎢錸熱電偶材料生產(chǎn)工藝的逐漸穩(wěn)定，產(chǎn)品性能的不斷提高以及產(chǎn)品數(shù)量的擴大,快速鎢錸熱電偶在鋼水測溫中占據(jù)了--定的地位。經(jīng)過十多年的技術(shù)提升及市場開發(fā)，目前，已進人穩(wěn)步發(fā)展階段，每年用量約在5000萬支以上，達到同行業(yè)快速熱電偶比例的三分之一。
       快速鎢錸熱電偶用于鋼水測溫，具有其它快速熱電偶不可比擬的特點:(1)測成率高:由于鎢錸絲熔點高達3180℃以上，機械強度高，在2000C以下鋼液中能有效經(jīng)受鋼水沖刷，其測成率顯高于鉑銠熱電偶。通常，快速鉑銠熱電偶在鋼水中測成率為85%左右，而快速鎢錸熱電偶可達95%以上。(2)能測超高溫:在熔煉高溫合金及不銹鋼時，吹氧末期溫度可達2000℃，此時鉑銠熱電偶已無法測溫，要進行溫度測定，鎢錸熱電偶就可發(fā)揮其潛能。(3)成本低:我國屬鉑銠貧乏國，現(xiàn)用鉑銠原料80%以，上依靠進口，價格極不穩(wěn)定，上漲趨勢嚴重。與其相反，我國是鎢錸富有國，資源豐富，價格穩(wěn)定。每公斤相同規(guī)格熱電偶絲材，鎢錸價格為鉑銠價格的3~4%。
       快速鎢錸熱電偶與快速鉑銠熱電偶比較，有上述受到人們關(guān)注的特點，但是作為一-種計量器具，其量值的正確性更為人們關(guān)注。在這方面，元件制作單位及使用單位與鎢錸偶絲生產(chǎn)單位一直存在許多誤解及分歧意見，為了便于元件制作單位及使用單位能全面認識鎢錸熱電偶在鋼水測溫方面的精度，本文就快速鎢錸熱電偶的測溫誤差進行了系統(tǒng)分析。
1誤差分析
1.1熱電偶的精度與允許偏差
       熱電偶的精度是指熱電偶在溫度測量中所能達到的測溫正確程度，它是一一個通用的概念，能表明不同熱電偶之間的測溫性能。熱電偶的允許偏差是指某種熱電偶按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，允許偏離分度表的誤差值，它是一個專用概念,僅能表明該種熱電偶之間的相對測溫性能。由于采用的分度方法及標(biāo)準(zhǔn)器的不同以及熱電偶材料自身的特點，相同允差的兩種熱電偶其測量精度是不一定相同的，即允差為+0.25%t的S型熱電偶與允差為+0.25%t的鎢錸熱電偶不能視同為精度相同。
1.2快速鎢錸熱電偶絲的精度
(1)影響快速鎢錸熱電偶絲精度的因素
a.分度方法傳遞誤差;b.分度時的操作誤差;
c.偶絲不均勻性誤差;d.分度值與分度表偏差;e.短期穩(wěn)定性誤差(用作快速熱電偶時，因時間極短此項可忽略)
(2)誤差計算
        應(yīng)用極限誤差表達式川，各種誤差造成的總誤差為:

       對于快速鎢錸熱電偶絲，鈀絲熔化定點測試，傳遞誤差為±3℃[2];分度時操作誤差取兩次分度允差的一半為±0.3℃;偶絲不均勻性誤差:正極允差為±2.1℃，負極允差為土1.613.4;分度值偏差為σx,將各項代人(1)式得總誤差為:

       表明，對于偏差為0的快速鎢錸熱電偶絲，其測溫精度也只能達到±4℃，這是在分度點(1554.5℃)而言，如在內(nèi)插區(qū)間(1554.5C~1769℃),傳遞誤差為±4℃[2].，其總誤差將達到±5.79C。
設(shè)σ,在分度點為+2C(即+0.128%t),總誤.差為

       從(3)式和(4)可知，對于快速鎢錸熱電偶絲，在其分度點，允差等級提高-倍，其精度只提高±1℃，表明熱電偶的允差僅能部分影響熱電偶的精度。在工業(yè)應(yīng)用中±0.128%1允差等級與±0.25%i允差等級的快速鎢錸熱電偶絲，量值正確性并無明顯差異。
       按式(2)計算的各種允差鎢錸偶絲，所產(chǎn)生的總誤差如表1所示。
       表中的各項數(shù)據(jù)，代表目前各鎢錸熱電偶絲材生產(chǎn)單位所標(biāo)明的典型允差等級及分度條件。比較允差與總誤差的數(shù)據(jù)，可知兩者并非呈線性關(guān)系，關(guān)于這點下面還將作進一步討論。

1.3快速鎢錸熱電偶的精度
(1)影響快速鎢錸熱電偶精度的因素
a.偶絲精度;b.補償點及補償導(dǎo)線誤差;c.二次儀表誤差;d.元件裝配誤差。
(2)誤差計算
       快速鎢錸熱電偶總誤差仍可用極限誤差表達，即:

       式中:σ1為偶絲誤差，允差為±0.25%t等級偶絲，在1554.5℃時其值為±5.69，σ2為補償點及補償導(dǎo)線誤差，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[3]允差分別為±4℃，σ3為二次儀表誤差，現(xiàn)用數(shù)字顯示表一般為±0.2%t,在1554.5℃時為±3.1℃，σ4為裝配誤差，一般情況較小可忽略。允差為±0.25%t偶絲制成快速鎢錸熱電偶，在1554.5℃測溫時總誤差為:

       允差為±0.128%t偶絲，在1554.5℃時誤差為±4.5℃，制成的快速熱電偶，在1554.5℃測溫時總誤差為:

       比較(6)式和(7)式進--步說明，快速鎢錸熱電偶的精度與偶絲允差的關(guān)系。同時表明，補償點誤差是影響快速鎢錸熱電偶的重要因素。
       按式(2)及式(5)計算的各種允差的鎢錸快速熱電偶所產(chǎn)生的總誤差如表2所示。

       從表中偶絲允差與熱電偶總誤差的關(guān)系可知，盡管偶絲允差等級成倍變化，但熱電偶的總誤差變化卻較小，說明:在實際應(yīng)用中，用熱電偶絲材允差值來代表熱電偶的精度存在有較大的片面性，由此忽略了許多對精度有較大影響的其它誤差源。因此，鎢錸熱電偶的精度要從構(gòu)成該系統(tǒng)的各個因素方面進行全面分析，才能得出客觀的正確結(jié)論。另外要說明的是表中總誤差代表的是一種極限值，即在實際測溫過程中可能達到的誤差范圍并不一定每次都達到此值。
(3)補償點誤差分析
       從前面分析可知，補償點誤差是影響快速鎢錸熱電偶的重要因素，如果不進行選擇性選配，將嚴重降低熱電偶的精度，但根據(jù)熱電偶的中間溫度定則[5),若補償導(dǎo)線與熱電偶絲選擇得當(dāng)，則補償點還能提高熱電偶絲的精度。

       圖1是快速鎢錸熱電偶測溫回路示意圖，其回路總的熱電勢為:

        式中:T為熱電偶測量端溫度，Tn為偶絲與補償導(dǎo)線連接點溫度，T0為參考點溫度。
       從(10)式可知，如果確切地知道鎢錸熱電偶絲在T溫度點及Tn溫度點的熱電勢值，即EAB(T,T0)和EAB(Tn，T0)，則可以調(diào)整補償導(dǎo)線在Tn溫度點的熱電勢值，即EAB(Tn，T0),使測溫回路總的熱電勢值EAB'A(T，Tn，T0)接近分度表中相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值。
        當(dāng)鎢錸熱電偶絲在T溫度點和Tn溫度點的分度值均為正偏差，且在T溫度點的分度值偏差大于在Tn溫度點的分度值偏差時，若選擇補償導(dǎo)線在Tn溫，度點的分度值為合適的負偏差，則測溫回路總的熱電勢值的偏差將減少，即提高了最終測溫精度。反之亦然。
2結(jié)論
       通過對鎢錸熱電偶絲材及構(gòu)成的快速熱電偶回路誤差計算分析，可以得出如下結(jié)論:.
(1)鎢錸熱電偶的測溫精度不能等同于熱電偶絲材分度值的允差。
(2)在一定范圍內(nèi)，熱電偶絲材允差等級的變化對實際構(gòu)成的熱電偶精度影響不大，二者變化關(guān)系呈非線性。
(3)快速鎢錸熱電偶的補償點誤差是影響測溫精度的重要因素;補償導(dǎo)線與偶絲選配正確，能提高最終測溫精度。