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、測溫范圍廣和價格實惠等優(yōu)點。在實際工作中，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:(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)實際使用條件合理選用熱電偶(4)正確選用補償導(dǎo)線。各種補償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號的熱電偶配用，否則不儀不能起到補償作用，反而會增加檢測誤差。(5)熱電偶在強電場的干擾下工作時，需將檢測端接地，接地材料應(yīng)與熱電偶中的一個電極材料相同，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)，不僅會增加測量誤差，還會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:(1)熱電偶應(yīng)選擇合適的安裝地點。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熱電偶保護管與爐壁之間的空隙，須用石棉堵塞，以免空氣對流影響測溫正確性。(3)必須根據(jù)實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，以防保護管在高溫下變形。若需水平安裝時插人深度不應(yīng)大于500mm,露出部分應(yīng)采用架子托牢，并在使用一"段時間后，將其旋轉(zhuǎn)180°。
3補償導(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，其熱電勢才是被測溫度的單值函數(shù)。但在實際應(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。但這樣一來會造成熱電極材料的浪費，特別是對于由貴金屬組成的熱電極材料這樣做很不經(jīng)濟。補償導(dǎo)線就是為解決這個問題而產(chǎn)生的，它的特點是在參考端溫度可能變化的范圍內(nèi)(0℃~100℃或200℃),補償導(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)型號的補償導(dǎo)線后，其熱電勢僅與測量端溫度和補償導(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，以便于正確地對參考端溫度進行修正，減少因參考端溫度過高和波動引起的測量誤差，達到測溫的目的。
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、變壓器、強電流導(dǎo)線等。都會產(chǎn)生較強的交變磁場、高壓電場或較大的地電流，它們在熱電偶檢測回路中，將產(chǎn)生附加電動勢，造成檢測誤差，嚴(yán)重時甚至無法檢測。
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，熱電偶回路就會產(chǎn)生-個附加熱電勢。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、保護管、絕緣材料等對熱電極的局部玷污、腐蝕或晶粒結(jié)構(gòu)的改變都會使熱電極材料產(chǎn)生不均勻性。為了減小此項誤差對測量結(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，下面分析幾個主要因素:
5.2.1高溫下環(huán)境對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管雜質(zhì)或環(huán)境氣氛的玷污和腐蝕，這種玷污、腐蝕就會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轉(zhuǎn)變成鈀，少量的鉑會先變成金，在轉(zhuǎn)變汞。使熱點特性發(fā)生變化，熱電勢變小。而廉金屬熱電偶有的對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，熱電極材料的強度會降低，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驗分析
　　熱電偶是基于熱電效應(yīng)進行溫度測量的，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，所以實驗室檢定時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)場使用時應(yīng)有能測量參考端溫度并對參考端溫度進行補償?shù)臏囟葍x表。在對熱電偶進行檢定時，參考端溫度的變化會對檢測結(jié)果產(chǎn)生巨大的影響，從而影響熱電偶的檢定，我們使用器號為:150325074熱電偶進行2次實驗分析如下:
 
 
　　根據(jù)兩次實驗的比對發(fā)現(xiàn)在實驗室對熱電偶檢定時參考端溫度如果沒有保持在0℃恒溫，就會使測量結(jié)果偏離實際值。從而造成測量的不正確性。在現(xiàn)場使用時也必須選擇實時測量參考端溫度并進行溫度補償?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測量的影響較大。