熱電偶的正確選擇及測(cè)量誤差原因

摘要:熱電偶是一種在自動(dòng)化控制過程中應(yīng)用非常普遍的溫度傳感設(shè)備。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝使用方便而被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)自動(dòng)化溫度控制領(lǐng)域。為了保證熱電偶在溫度測(cè)量過程中安全、正確、長(zhǎng)周期的運(yùn)行,通過對(duì)熱電偶分度號(hào)、測(cè)點(diǎn)位置及插入深度的正確選擇,以及分析其在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的各種測(cè)量誤差原因，提出了熱電偶在選用過程中常被忽略的一些問題,以及熱電偶測(cè)量誤差的形成原因,希望為熱電偶在正確選擇及精度高測(cè)量方面起到一定幫助。.
0引言
　　在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域中熱電偶作為溫度測(cè)量中的重要傳感器之一,為各行業(yè)的溫度測(cè)量立下了“汗馬功勞”。它因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)溫正確、測(cè)量范圍廣、維護(hù)方便等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)自動(dòng)化溫度控制領(lǐng)域。然而也正是由于熱電偶本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝使用方便等特點(diǎn)在選用過程中往往對(duì)其分度號(hào)、插入深度等關(guān)鍵參數(shù)的選擇容易被忽視從而造成熱電偶在使用過程中出現(xiàn)問題引起測(cè)量誤差甚至損壞熱電偶的情況發(fā)生。另外由于在測(cè)量過程中諸如溫度補(bǔ)償、熱響應(yīng)時(shí)間、熱阻抗、熱電偶劣化等-系列問題引起的測(cè)量誤差,也給實(shí)際用戶帶來了不小的麻煩甚至造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化控制中越來越注重對(duì)儀表安全、測(cè)量正確性、使用壽命及穩(wěn)定性的要求之前也有大批的科研人員及熱工儀表工程師對(duì)熱電偶的測(cè)溫正確性、適應(yīng)性以及測(cè)溫結(jié)構(gòu)做了大量的研究。在此基礎(chǔ).上本文從熱電偶的選擇以及實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，對(duì)熱電偶不同分度號(hào)以及測(cè)溫范圍的適應(yīng)性如何選擇、測(cè)溫點(diǎn)位置的選擇、熱電偶插入深度如何正確選擇進(jìn)行了分析和闡述。同時(shí)對(duì)熱電偶在使用過程中由于溫度補(bǔ)償、熱響應(yīng)時(shí)間、熱阻抗、熱電偶劣化等原因產(chǎn)生的測(cè)量誤差原因進(jìn)行分析并給出了解決辦法。希望對(duì)熱電偶正確測(cè)溫、長(zhǎng)周期測(cè)溫方面有一定幫助。
1熱電偶的選擇
　　熱電偶由于使用簡(jiǎn)單應(yīng)用也非常廣泛,但是在最初選用過程中往往更注重?zé)犭娕嫉陌惭b接口、套管材質(zhì)耐壓等級(jí)等關(guān)系到熱電偶安裝及安全的參數(shù)指標(biāo)卻容易忽略掉熱電偶的適應(yīng)性、測(cè)溫范圍以及插入深度對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響。
1.1熱電偶分度號(hào)的選擇
　　熱電偶分度號(hào)的選擇通常是根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的工作溫度來決定的,一般情況下根據(jù)熱電偶不同分度號(hào)的測(cè)溫范圍以及實(shí)際使用情況我們大致將熱電偶分為中低溫、中高溫以及高溫三種類別的分度熱電偶。下面就這三種測(cè)溫范圍的熱電偶如何選擇進(jìn)行分析和討論。
1.1.1中低溫?zé)犭娕嫉倪x擇
　　若用于低溫區(qū)測(cè)量(-200℃~+350℃)可以選擇T分度熱電偶,用于中低溫區(qū)測(cè)量(-40℃~+700℃)可選擇EJ分度熱電偶但由于TJ分度熱電偶的正極分別為純銅和純鐵材質(zhì),在產(chǎn)品的制作和使用過程中極易被氧化所以不能用于氧化環(huán)境中測(cè)溫。若要在氧化環(huán)境中進(jìn)行測(cè)溫推薦使用E分度熱電偶。E分度熱電偶不僅能覆蓋J分度熱電偶的測(cè)溫范圍且熱電勢(shì)輸出大、靈敏度高、穩(wěn)定性好抗氧化性能優(yōu)于TJ分度熱電偶能用于氧化性和惰性氣體環(huán)境中但不能直接在高溫下用于硫、還原性氣體環(huán)境中這樣將會(huì)導(dǎo)致E分度熱電偶熱電勢(shì)均勻性出現(xiàn)較大誤差。
1.1.2中高溫?zé)犭娕嫉倪x擇
　　K、N分度熱電偶是目前市場(chǎng)上應(yīng)用廣泛的廉金屬熱電偶主要用于中高溫區(qū)的溫度測(cè)量(-40℃~+1200℃)。其中K分度熱電偶因線性度好、熱電動(dòng)勢(shì)較大、靈敏度高、穩(wěn)定性和均勻性較好抗氧化性能強(qiáng)、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)占據(jù)了絕對(duì)的市場(chǎng)份額。N分度熱電偶是一-種最新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶,它成功的克服了K分度熱電偶的兩個(gè)重要缺點(diǎn),即K分度熱電偶在300℃~500℃間由于鎳鉻合金的晶格短程有序而引|起的熱電動(dòng)勢(shì)不穩(wěn)定;在800℃左右由于鎳鉻合金發(fā)生擇優(yōu)氧化引起的熱電動(dòng)勢(shì)不穩(wěn)定。其綜合性能優(yōu)于K分度熱電偶是一種很有發(fā)展前途的熱電偶。但在低溫范圍內(nèi)(-200℃~400℃)的非線性誤差較大同時(shí)材料較硬難于加工是N分度熱電偶的一大缺點(diǎn)。
1.1.3高溫?zé)犭娕嫉倪x擇
　　S.R、B分度熱電偶因其正負(fù)電極采用鉑及鉑銠合金制成故被稱作貴金屬熱電偶。是適應(yīng)于高溫區(qū)測(cè)量(800℃~1600℃)的熱電偶其中S、R分度熱電偶推薦長(zhǎng)期使用溫度為(800℃~1300℃),B分度熱電偶推薦長(zhǎng)期使用溫度為(800℃~1600℃)。因這幾種分度的貴金屬熱電偶測(cè)溫精度高、穩(wěn)定性好、測(cè)溫區(qū)寬、測(cè)溫上限高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于1000℃以上的高溫測(cè)量場(chǎng)合,如冶金、玻璃、陶瓷等行業(yè)的測(cè)溫。不足之處是熱電勢(shì)較小、靈敏度較低、高溫下機(jī)械強(qiáng)度下降、對(duì)污染非常敏感、貴金屬材料昂貴導(dǎo)致一次性投資較大。但總體看來貴金屬熱電偶還是高溫區(qū)域溫度測(cè)量的主力軍加上現(xiàn)在的熱電偶生產(chǎn)工藝不斷進(jìn)步,可有效的保護(hù)電極絲在高溫下不被污染提高產(chǎn)品的使用壽命。
　　以上各類高低溫?zé)犭娕汲姌O本身材質(zhì)不同之外在結(jié)構(gòu).上并沒有本質(zhì)的區(qū)別主要還是根據(jù)不同的分度號(hào)選擇合適的測(cè)溫范圍以及測(cè)量環(huán)境的適應(yīng)性。
表1熱電偶優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

分度號(hào)	名稱	優(yōu)點(diǎn)	缺點(diǎn)	推薦測(cè)溫范圍
T	(銅-銅鎳)	線性度好熱電勢(shì)較大靈敏度高，均勻性較好在-200℃~0℃溫區(qū)內(nèi)穩(wěn)定性好。	正極銅材質(zhì)在高溫下抗氧化性能差	-200℃~+350℃
J	(鐵-銅鎳)	線性度好熱電勢(shì)較大靈敏度高穩(wěn)定性和均勻性較好可用于真空、惰性氣體環(huán)境中使用。	正極鐵材質(zhì)在高溫下抗氧化性能差不能直接無保護(hù)的在高溫下用于硫化氣氛中。	-40℃~+700℃
E	(鎳鉻-銅鎳)	熱電勢(shì)大靈敏度最高,可測(cè)量微小的溫度變化穩(wěn)定性較好抗氧化性優(yōu)于TJ分度熱電偶。宜用于濕度較的環(huán)境中測(cè)量。	不能直接在高溫下用于硫、還原性氣氛中，熱電勢(shì)均勻性較差	-40℃~+800℃
K	(鎳鉻-鎳硅)	線性度好熱電勢(shì)較大靈敏度高穩(wěn)定性和均勻性較好能用于氧化性、惰性氣氛中。	不能直接在高溫下用于硫、還原性或還原氧化交替的氣氛中以及真空中使用,也不推薦用于弱氧化氣氛中使用。	-40℃~+1200℃
N	(鎳鉻硅鎳硅)	線性度好熱電勢(shì)較大靈敏度高穩(wěn)定性和均勻性較好能用于氧化性、惰性氣氛中。不受短程有序化影響綜合性能優(yōu)于K分度熱電偶。	不能直接在高溫下用于硫、還原性或還原氧化交替的氣氛中以及真空中使用,低溫非線性誤差大加工難度大。	-40℃~+1200℃
S	(鉑銠10-鉑)	精度高溫度性好測(cè)溫溫區(qū)寬穩(wěn)定性好高溫下抗氧化性能好,適用于氧化性和惰性氣氛中	熱電勢(shì)較下,靈敏度較低高溫機(jī)械強(qiáng)度下降對(duì)污染敏感材料昂貴。	+600℃~+1300℃
R	(鉑銠13-鉑)	精度高溫度性好測(cè)溫溫區(qū)寬穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性優(yōu)于S分度高溫下抗氧化性能好適用于氧化性和惰性氛中	熱電勢(shì)較下靈敏度較低高溫機(jī)械強(qiáng)度下降對(duì)污染敏感材料昂貴。	+600℃~+1300℃
B	(鉑銠30-鉑銠6)	精度高溫度性好測(cè)溫溫區(qū)寬測(cè)溫上限高使用于氧化性和惰性氛中,也可短期用于真空環(huán)境中不需要專用補(bǔ)償導(dǎo)線。	不適用于還原性氣氛或含有金屬蒸汽氣氛,熱電勢(shì)較小靈敏度低對(duì)污染非常敏感材料昂貴。	+600℃~+1600℃

1.2測(cè)點(diǎn)位置及插入深度的選擇
　　從測(cè)溫原理.上來說熱電偶屬于接觸式測(cè)溫儀表其測(cè)溫點(diǎn)位置的選擇是最重要的。該測(cè)溫點(diǎn)不僅要能夠直觀反映出被測(cè)介質(zhì)的真實(shí)溫度，還必須是整個(gè)設(shè)備單元或控制的關(guān)鍵溫度測(cè)點(diǎn)。所以選擇測(cè)溫點(diǎn)時(shí)應(yīng)具有典型性和代表性,否則將失去測(cè)量與控制的意義。
　　插入深度通常是指熱電偶從安裝密封面位置至產(chǎn)品端部的長(zhǎng)度該長(zhǎng)度的選擇可直接影響熱電偶的測(cè)溫結(jié)果。例如測(cè)量管道中流體溫度時(shí)熱電偶的測(cè)量端(即測(cè)溫點(diǎn))應(yīng)處于管道中流速最大處。-般來說熱電偶的保護(hù)套管末端應(yīng)越過流速中心線,最好是迎介質(zhì)流向斜45°插入這樣可讓熱電偶測(cè)量端與介質(zhì)進(jìn)行充分的熱交換,且減少熱電偶達(dá)到測(cè)量熱平衡的時(shí)間。熱電偶插入被測(cè)場(chǎng)所時(shí)沿著傳感器的長(zhǎng)度方向?qū)a(chǎn)生熱流當(dāng)環(huán)境溫度低時(shí)就會(huì)有熱損失致使熱電偶與被測(cè)對(duì)象的溫度不--致而產(chǎn)生測(cè)溫誤差?？傊蔁醾鲗?dǎo)而引起的誤差與插入深度有關(guān),而插入深度又與保護(hù)管材質(zhì)有關(guān)。金屬保護(hù)管因其導(dǎo)熱性能好其插入深度應(yīng)該深--些(約為直徑的15-20倍);陶瓷材料絕熱性能好可插入淺一些(約為直徑的10-15倍)。對(duì)于工程測(cè)溫,其插入深度還與測(cè)量對(duì)象靜止或流動(dòng)等狀態(tài)有關(guān)。如流動(dòng)的液體或高速氣流溫度的測(cè)量就不受.上述限制。根據(jù)ASMEPTC19.3的要求為避免在高流速環(huán)境中發(fā)生共振造成保護(hù)管斷裂的嚴(yán)重危害,保護(hù)套管激勵(lì)頻率(,)和固有頻率(f,)之比即f,<0.8f.,但當(dāng)保護(hù)套管受到的最大彎曲力大于等于保護(hù)套管可承受的疲勞應(yīng)力極限時(shí)其保護(hù)套管激勵(lì)頻率和固有頻率之比就應(yīng)滿足f,<0.4f。而保護(hù)套管的激勵(lì)頻率和固有頻率又與其插入深度、保護(hù)套管的結(jié)構(gòu)和幾何尺寸有關(guān)。圖1為激勵(lì)頻率和固有頻率之比與不同結(jié)構(gòu)套管插入深度的關(guān)系曲線圖。從圖中不難看出保護(hù)套管激勵(lì)頻率與固有頻率的比值大小與插入深度有直接的關(guān)系插入深度越長(zhǎng)保護(hù)套管激勵(lì)頻率與固有頻率的比值就越大,更容易出現(xiàn)保護(hù)管共振情況的發(fā)生。
 
2測(cè)量中出現(xiàn)的誤差
2.1參考端溫度沒有得到完全補(bǔ)償而引|起的誤差
　　熱電偶參考端溫度最好保持在0℃,但在實(shí)際測(cè)溫時(shí)參考端不可能是0℃需要采用恒溫器、補(bǔ)償電橋或補(bǔ)償導(dǎo)線等方法來設(shè)法恒定在某一溫度下。如果實(shí)際測(cè)溫標(biāo)準(zhǔn)和被測(cè)溫度是采用室溫補(bǔ)償,由于室溫不易恒定,可能使兩者感受的溫度不同就會(huì)造成測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生很大誤差。采用室溫修正,由于其.誤差較大,一般只適用于現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)不適宜對(duì)產(chǎn)品的正確測(cè)量。
2.2補(bǔ)償導(dǎo)線使用不當(dāng)引入的誤差
　　利用補(bǔ)償導(dǎo)線可以把熱電偶的參考端延長(zhǎng)到溫度較為恒定的環(huán)境再進(jìn)行修正補(bǔ)償,此時(shí)參考端即變?yōu)橐粋€(gè)溫度變化很小的新參考端。從本質(zhì)上來說它并不能消除參考端不為0℃帶來的誤差所以還應(yīng)該結(jié)合其它修正方法進(jìn)行補(bǔ)償。在使用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)-定要選擇與熱電偶分度號(hào)相匹配的導(dǎo)線,--定要正確連接補(bǔ)償導(dǎo)線的正負(fù)極與熱電偶的正負(fù)極相連接若補(bǔ)償導(dǎo)線使用不當(dāng)導(dǎo)致沒有消除引線電阻，會(huì)弓|起較大的測(cè)量誤差。同時(shí)還應(yīng)注意補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接處的溫度應(yīng)保持一致且溫度應(yīng)控制在(0-150℃)之間否則也會(huì)產(chǎn)生新的測(cè)量誤差。
表2補(bǔ)償導(dǎo)線分度號(hào)表

補(bǔ)償導(dǎo)線型號(hào)  配用熱電偶分度號(hào)		補(bǔ)償導(dǎo)線材質(zhì)		補(bǔ)償導(dǎo)線顏色
		正極	負(fù)極	正極	負(fù)極
KC(補(bǔ)償型)	K(鎳鉻-鎳硅)	KPC(銅)	KNC(銅鎳)	紅	藍(lán)
KX(延長(zhǎng)型)	K(鎳鉻-鎳硅)	KPX(鎳鉻)	KNX(鎳硅)	紅	黑
EX(延長(zhǎng)型)	E(鎳鉻-銅鎳)	EPX(鎳鉻)	ENX(銅鎳)	紅	棕
JX(延長(zhǎng)型)	J(鐵-銅鎳)	JPX(鐵)	JNX(銅鎳)	紅	紫
TX(延長(zhǎng)型)	T(銅-銅鎳)	TPX(銅)	TNX(銅鎳)	紅	白
SC(補(bǔ)償型)	S(鉑銠10-鉑)	SPC(銅)	SNC(銅鎳)	紅	綠

2.3測(cè)量?jī)x表精度弓|起的誤差
　　測(cè)量?jī)x表的精度等級(jí)高低是決定測(cè)量誤差大小的因素之一測(cè)溫儀表精度等級(jí)的選擇要考慮測(cè)溫點(diǎn)要求的精度并和整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)相匹配,否則也會(huì)引起測(cè)溫誤差
2.4熱電偶響應(yīng)時(shí)間引起的誤差
　　接觸法測(cè)溫的基本原理是測(cè)溫元件要與被測(cè)對(duì)象達(dá)到熱平衡。因此在測(cè)溫時(shí)需要保持一定時(shí)間,才能使兩者達(dá)到熱平衡保持時(shí)間的長(zhǎng)短同測(cè)溫元件的熱響應(yīng)時(shí)間有關(guān),而熱響應(yīng)時(shí)間主要取決于傳感器的結(jié)構(gòu)及測(cè)量條件差別極大。對(duì)于氣體介質(zhì),尤其是靜止氣氣體至少應(yīng)保持30秒鐘以上才能達(dá)到平衡;對(duì)于液體介質(zhì)最快也要在5秒鐘以上。對(duì)于溫度不斷變化的被測(cè)場(chǎng)所尤其是瞬間變化的過程,有的全過程僅1秒鐘則要求傳感器的響應(yīng)時(shí)間在毫秒級(jí)。由于普通的溫度傳感器不但跟不上被測(cè)對(duì)象的溫度變化速度出現(xiàn)滯后,而且會(huì)因達(dá)不到熱平衡而產(chǎn)生測(cè)量誤差最好選擇響應(yīng)快的傳感器。滯后時(shí)間不僅決定于熱電偶材料的導(dǎo)熱系數(shù)熱電偶接點(diǎn)的熱容量、表面積、容積還決定于被測(cè)介質(zhì)的熱容量和導(dǎo)熱系數(shù)以及介質(zhì)(流體)本身的流動(dòng)情況。熱電偶測(cè)溫時(shí)與被測(cè)介質(zhì)之間的熱交換主要是對(duì)流傳熱通過對(duì)流體傳熱使熱偶接點(diǎn)吸熱后溫度升高。對(duì)流傳熱的大小決定于介質(zhì)溫度與熱電偶接點(diǎn)溫度之差和熱偶接點(diǎn)與被測(cè)介質(zhì)接觸的面積大小,即:如果忽略熱偶接點(diǎn)溫度對(duì)周圍環(huán)境的輻射和沿?zé)犭娕紝?dǎo)線的導(dǎo)熱損失而產(chǎn)生放熱,則熱偶接點(diǎn)吸收的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)榻狱c(diǎn)的溫度變化。如果被測(cè)溫度不是穩(wěn)定值而是隨時(shí)間迅速變化要能反映出某瞬時(shí)的真實(shí)溫度這就要求熱電偶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要高,即時(shí)間常數(shù)要小。具體措施如下:
(1)減小熱電偶接點(diǎn)體積。接點(diǎn)體積減小熱容量也隨之減小而且傳熱系數(shù)x隨之增大;
(2)增大熱偶接點(diǎn)與被測(cè)介質(zhì)接觸的表面積。對(duì)于相同體積的接點(diǎn)若將球形壓成扁平狀體積不變而表面積增大了這樣就可減小時(shí)間常數(shù)。
2.5熱阻抗問題弓|起的測(cè)量誤差
　　在高溫下使用的熱電偶如果被測(cè)介質(zhì)為氣態(tài),那么保護(hù)管表面沉積的灰塵等將燒熔在表面上使保護(hù)管的熱阻抗增大;如果被測(cè)介質(zhì)是熔體在使用過程中將有殘?jiān)练e,不僅會(huì)增加熱電偶的響應(yīng)時(shí)間還會(huì)使指示溫度偏低。因此除了定期檢定外,為了減少誤差經(jīng)常抽檢也是必要的。例如進(jìn)口銅熔煉爐不僅安裝有連續(xù)測(cè)溫?zé)犭娕歼€配備消耗型熱電偶測(cè)溫裝置,用于及時(shí)校準(zhǔn)連續(xù)測(cè)溫用熱電偶的精度。
2.6熱電偶劣化引起的測(cè)量誤差
　　所謂熱電偶的劣化,即熱電偶經(jīng)使用后出現(xiàn)老化變質(zhì)的現(xiàn)象。由金屬或合金構(gòu)成的熱電偶在高溫”下其內(nèi)部晶粒要逐漸長(zhǎng)大。同時(shí)合金中含有少量雜質(zhì)其位置或形狀也將發(fā)生變化,而且,對(duì)周圍環(huán)變化熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)也將極其敏感地發(fā)生變化。因此熱電偶的劣化現(xiàn)象是不可避免的。
熱電偶發(fā)生老化的原因因熱電偶不同而異主要有兩方面原因:--方面是熱電偶材料本身長(zhǎng)期在高溫作用下發(fā)生變質(zhì);另一方面是測(cè)溫環(huán)境各種氣體對(duì)熱電偶的作用使熱電極發(fā)生質(zhì)變。減小老化誤差的途徑是注意各種熱電偶測(cè)溫條件、定期對(duì)熱電偶進(jìn)行檢定。
3結(jié)束語
　　綜上所述熱電偶在選型和具體應(yīng)用過程中還存在許多需要考慮和注意的問題,主要為熱電偶分度號(hào)的選擇、測(cè)溫點(diǎn)位置和插入深度的選擇、溫度補(bǔ)償、熱響應(yīng)時(shí)間、熱阻抗、熱電偶劣化等。在以后的熱電偶傳感器應(yīng)用過程中，只要正確選型并有效解決測(cè)溫誤差問題就可以提高其測(cè)量正確程度也可以對(duì)熱電偶的壽命進(jìn)行有效延長(zhǎng)。