熱電偶測量誤差及其注意事項

【資料簡介】

熱電偶是一種zui簡單﹑zui普通的溫度傳感器。可是如果在使用中不注意，也會引起較大測量誤差。針對當(dāng)前存在的問題，詳細探討影響測量誤差的主要因素：熱電偶插入深度﹑響應(yīng)時間﹑熱輻射及熱阻抗等，指出熱電偶絲不均質(zhì)﹑鎧裝熱電偶分流誤差﹑K型熱電偶的選擇性氧化﹑K狀態(tài)﹑使用氣氛﹑絕緣電阻及熱電偶劣化等在使用中應(yīng)注意事項。對提高測量精度，延長熱電偶壽命，有一定幫助。
在現(xiàn)有的測溫系統(tǒng)中，zui常用的溫度傳感器—熱電偶，因其結(jié)構(gòu)簡單，往往被誤認為“熱電偶兩根線，接上就完事”，其實并非如此。 熱電偶的結(jié)構(gòu)雖然簡單，但在使用中仍然會出現(xiàn)各種問題。例如：安裝或使用方法不當(dāng)，將會引起較大的測量誤差，甚至檢定合格的熱電偶也會因操作不當(dāng)，在使用時不合格，在滲碳等還原性氣氛中，如果不注意，K型熱電偶也會因選擇性氧化而超差。
為了提高測量精度，減少測量誤差，延長熱電偶使用壽命，要求使用者不僅應(yīng)具備儀表方面的操作技能，而且還應(yīng)具有物理、化學(xué)及材料等多方面知識。作者根據(jù)多年實踐，并參閱有關(guān)資料較詳細地介紹熱電偶的測量誤差及其注意事項。
2．測量誤差的主要影響因素
2．1插入深度的影響
（1）測溫點的選擇
熱電偶的安裝位置，即測溫點的選擇是zui重要的。測溫點的位置，對于生產(chǎn)工藝過程而言，一定要具有典型性、代表性，否則將失去測量與控制的意義。
（2）插入深度
熱電偶插入被測場所時，沿著傳感器的長度方向?qū)a(chǎn)生熱流。當(dāng)環(huán)境溫度低時就會有熱損失。致使熱電偶與被測對象的溫度不一致而產(chǎn)生測溫誤差。總之，由熱傳導(dǎo)而引起的誤差，與插入深度有關(guān)。而插入深度又與保護管材質(zhì)有關(guān)。金屬保護管因其導(dǎo)熱性能好，其插入深度應(yīng)該深一些（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）。對于工程測溫，其插入深度還與測量對象是靜止或流動等狀態(tài)有關(guān)，如流動的液體或高速氣流溫度的測量，將不受上述限制，插入深度可以淺一些，具體數(shù)值應(yīng)由實驗確定。
2．2響應(yīng)時間的影響
接觸法測溫的基本原理是測溫元件要與被測對象達到熱平衡。因此，在測溫時需要保持一定時間，才能使兩者達到熱平衡。而保持時間的長短，同測溫元件的熱響應(yīng)時間有關(guān)。而熱響應(yīng)時間主要取決于傳感器的結(jié)構(gòu)及測量條件，差別極大。對于氣體介質(zhì)，尤其是靜止氣體，至少應(yīng)保持30min以上才能達到平衡；對于液體而言，zui快也要在5min以上。
對于溫度不斷變化的被測場所，尤其是瞬間變化過程，全過程僅1秒鐘，則要求傳感器的響應(yīng)時間在毫秒級。因此，普通的溫度傳感器不僅跟不上被測對象的溫度變化速度出現(xiàn)滯后，而且也會因達不到熱平衡而產(chǎn)生測量誤差。選擇響應(yīng)快的傳感器。對熱電偶而言除保護管影響外，熱電偶的測量端直徑也是其主要因素，即偶絲越細，測量端直徑越小，其熱響應(yīng)時間越短。測溫元件熱響應(yīng)誤差可通過下式確定 [1]。
Δθ=Δθ0exp（-t/τ）（2—1）
式中 t—測量時間 S，
Δθ—在 t 時刻，測溫元件引起的誤差，K或℃
Δθ0—“t=0” 時刻，測溫元件引起的誤差，K或℃
τ—時間常數(shù) S
e —自然對數(shù)的底（2.718）
因此，當(dāng)t=τ時，則Δθ=Δθ0/e 即為0.368，
如果當(dāng)t=2τ時,則Δθ=Δθ0/e2 即為0.135。
當(dāng)被測對象的溫度,以一定的速度α（k/s或℃/s）上升或下降時,經(jīng)過足夠的時間后,所產(chǎn)生的響應(yīng)誤差可用下式表示：
Δθ∞=-ατ（2—2）
式中 Δθ∞—經(jīng)過足夠時間后，測溫元件引起的誤差。
由式（2—2）可以看出，響應(yīng)誤差與時間常數(shù)（τ）成正比。為了提高檢定效率許多企業(yè)采用自動檢定裝置，對入廠熱電偶進行檢定，但是，該裝置也并非十分完善。二汽變速箱廠熱處理車間就發(fā)現(xiàn)如果在400℃點的恒溫時間不夠，達不到熱平衡，就容易發(fā)生誤判。
2．3熱輻射的影響
插入爐內(nèi)用于測溫的熱電偶，將被高溫物體發(fā)出的熱輻射加熱。假定爐內(nèi)氣體是透明的，而且，熱電偶與爐壁的溫差較大時，將因能量交換而產(chǎn)生測溫誤差。
在單位時間內(nèi)，兩者交換的輻射能為P，可用下式表示：
P=σε（Tw4 - Tt4 ）（2—3）
式中 σ—斯忒藩—波爾茲常數(shù)
ε—發(fā)射率
Tt—熱電偶的溫度 , K
Tw—爐壁的溫度 , K
在單位時間內(nèi),熱電偶同周圍的氣體（溫度為T）,通過對流及熱傳導(dǎo)也將發(fā)生熱量交換的能量為P′
P′=αA（T-Tt）（2—4）
式中 α—熱導(dǎo)率
A— 熱電偶的表面積
在正常狀態(tài)下，P= P′，其誤差為：
Tt-T=σε（Tt4-Tw4）/αА（2—5）
對于單位面積而言其誤差為
Tt-T=σε（Tt4-Tw4）/α（2—6）