​熱電偶測量誤差及其注意事項

熱電偶測量誤差及其注意事項

熱電偶是一種最簡單﹑最普通的溫度傳感器。可是如果在使用中不注意,也會引起較大測量誤差。針對當前存在的問題,詳細探讨影響測量誤差的主要因素:熱電偶插入深度﹑響應時間﹑熱輻射及熱阻抗等,指出熱電偶絲不均質﹑铠裝熱電偶分流誤差﹑K型熱電偶的選擇性氧化﹑K狀态﹑使用氣氛﹑絕緣電阻及熱電偶劣化等在使用中應注意事項。對提高測量精度,延長熱電偶壽命,有一定幫助。在現有的測溫系統中,最常用的溫度傳感器熱電偶,因其結構簡單,往往被誤認為熱電偶兩根線,接上就完事,其實并非如此。
熱電偶的結構雖然簡單,但在使用中仍然會出現各種問題。例如:安裝或使用方法不當,将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,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,要求使用者不僅應具備儀表方面的操作技能,而且還應具有物理、化學及材料等多方面知識。

作者根據多年實踐,并參閱有關資料較詳細地介紹熱電偶的測量誤差及其注意事項。1.
熱電偶絲不均質影響(1)熱電偶材質本身不均質熱電偶在計量室檢定時,按規程要求,插入檢定爐内的深度隻有300mm。因此每支熱電偶的檢定結果,确切的說隻能體現或主要體現出從測量端開始300mm長偶絲的熱電行為,然而,當熱電偶的長度較長時,則大部分偶絲處于高溫區,如果熱電偶絲是均質的,那麼依據均質回路定則,測量結果與長度無關。然而,熱電偶絲并非均質,尤其是廉金屬熱電偶絲其均質性較差,又處于具有溫度梯度的場合,那麼其局部将産生熱電動勢,該電動勢稱為寄生電勢。由寄生電勢引起的誤差稱為不均質誤差。在現有的貴金屬、廉金屬熱電偶檢定規程中,對熱電偶的不均質尚未作出規定,隻有在熱電偶絲材标準中,對熱電偶絲的不均勻性有一定要求。對廉金屬熱電偶采用首尾檢定法求出不均勻熱電動勢。正規熱電偶絲材生産廠,均按國家标準要求,生産出不均勻熱電動勢符合要求的産品。(2)熱電偶絲經使用後産生的不均質對于新制的熱電偶,即使是不均勻熱電動勢能滿足要求,但是,反複加工、彎曲緻使熱電偶産生加工畸變,也将失去均質性,而且使用中熱電偶長期處于高溫下也會因偶絲的劣化而引起熱電動勢變化,例如:插入工業爐中的熱電偶,将沿偶絲長度方向發生劣化,并随溫度增高,劣化增強,當劣化的部分處于具有溫度梯度的場所,也将産生寄生電動勢疊加在總熱電動勢中而出現測量誤差。作者在實踐中發現有的熱電偶經計量部門檢定合格的産品(多為廉金屬熱電偶)到現場使用時卻不合格。再返回到計量部門檢定仍然合格,其中主要原因就是偶絲不均質引起的。生産熱電偶的技術人員都切身體會到,熱電偶的不合格率也随其長度的增加而增加。皆是受熱電偶絲材不均質的影響。總之,由不均質即寄生電動勢引起的誤差,取決于熱電偶絲自身的不均質程度及溫度梯度的大小,對其定量極其困難。2 .铠裝熱電偶的分流誤差(1)分流誤差瓦軸集團滲碳爐用铠裝熱電偶,僅使用一周就不準了。為探讨原因,作者曾到現場考察,但未發現異常,隻好從爐子上取下來經計量室檢定結果合格。那麼問題何在呢?最後,根據該支熱電偶的現場安裝特點,經研究發現,上述問題是铠裝熱電偶的分流誤差造成的。所謂分流誤差即用铠裝熱電偶測量爐溫時,當熱電偶中間部位有超過800°C的溫度分布存在時,因其絕緣電阻下降,熱電偶示值出現異常的現象,稱為分流誤差。依據均質回路定則,用熱電偶測溫隻與測量端與參考端兩端溫度有關,與中間溫度分布無關。可是由于铠裝熱電偶的絕緣物是粉末狀MgO,溫度每升高100°C,其絕緣電阻下降一個數量級,當中間部位溫度較高時,必定有漏電流産生,緻使在熱電偶輸出電勢中有分流誤差出現。(2)分流誤差産生的條件将铠裝熱電偶水平插入爐内,其規格及實驗條件為:直徑ф4.8mm,長度為25m,中間部位加熱帶的長度為20m,溫度為1000℃。本次實驗中,熱電偶的測量端與中間部位的溫差為200℃。如果測量端溫度高于中間部位,則産生負誤差;相反,則産生正誤差。如果兩者的溫差為200℃,那麼,分流誤差約為100℃。這是絕對不能忽視的,分流誤差的産生條件與铠裝熱電偶種類和直徑等因素有關2,見表13.分流誤差的影響因素及對策高溫下铠裝熱電偶産生分流誤差的現象,正在引起人們的重視,因此有必要了解分流誤差的影響因素,并采取适當對策以減少或消除分流誤差的影響。(1)铠裝熱電偶直徑對于長度為9米的K型铠裝熱電偶(MgO絕緣),隻将熱電偶中間部位加熱。實驗結果表明:分流誤差的大小與其直徑的平方根成反比(直徑過細,不遵守此規律),即直徑越細,分流誤差越大。當中間部位溫度高于800℃時,對于ф3.2mm铠裝熱電偶将産生分流誤差。但對于ф6.4mmф8mm铠裝熱電偶,當中間部位的溫度為900℃時,仍未發現分流誤差。對于ф6.4mm(熱電極絲直徑為ф1.4mm)ф8mm(熱電極絲直徑為ф2.0mm)的铠裝熱電偶,當中間部位溫度為1100℃時,直徑為ф8mm的铠裝熱電偶産生的分流誤差僅為ф6.4mm的一半。此數值(50%)近視于兩種铠裝熱電偶電極絲直徑的平方比(1.42/2.02
,
而電極絲直徑平方比,即為電極絲的電阻比。因此,為了減少分流誤差,應盡可能選用粗直徑的铠裝熱電偶。(2)中間部位的溫度如果中間部位的溫度超過800℃,有可能産生分流誤差,其大小将随溫度的升高,呈指數關系增大。因此,除測量端外,其它部位應盡可能避免超過800℃。1)中間部位加熱帶長度及位置當中間部位加熱帶溫度高于800℃時,其加熱帶的長度越長,距離測量端越遠,分流誤差越大。因此,應盡可能縮短加熱帶長度
,并且,不要在遠離測量端處加熱,以減少分流誤差。(3)熱電偶絲的電阻當铠裝熱電偶的直徑相同時,分流誤差将随熱電偶絲的電阻增大而增加。因此,
采用電阻小的熱電偶絲更好。例如:直徑相同的S型铠裝熱電偶同K型熱電偶相比,其分流誤差減少40%。因此,可采用S型熱電偶測量爐内溫場分布,費用雖高,但較準确。(4
絕緣電阻高溫下氧化物的電阻率将随溫度的升高呈指數降低,分流誤差的大小主要取決于高溫部分的絕緣性能,絕緣電阻越低,越容易産生分流誤差。當絕緣電阻增加10倍或減少至1/10時,其分流誤差也随之減少至1/10或增大10倍。為了減少分流誤差,應盡可能采用直徑粗的铠裝熱電偶,增加絕緣層厚度。如果上述措施無效時,隻好采用裝配式熱電偶。4 .短程有序結構變化(K狀态)的影響K型熱電偶在250—600℃溫度範圍内使用時,由于其顯微結構發生變化,形成短程有序結構,因此将影響熱電勢值而産生誤差,這就是所謂的K狀态3。它是Ni—Cr合金特有的晶格變化,當Cr含量在5—30%範圍内存在着原子晶格的有序
無序轉變。由此而引起的誤差,因Cr含量及溫度的不同而變化。将K型熱電偶從300℃加熱至800℃,每50℃取一點,測量該點電勢。在450℃時偏差最大可達4℃,在350—600℃範圍内,均為正偏差。由于K狀态的存在,使K型熱電偶在升溫或降溫檢定結果不一緻,故在廉金屬熱電偶檢定規程中明文規定檢定順序:由低溫向高溫逐點升溫檢定。而且在400℃檢定點,不僅傳熱效果不佳,難以達到熱平衡,而且,又恰好處于K狀态誤差最大範圍。因此,對該點判定合格與否時應很慎重。Ni—Cr合金短程有序結構變化的現象,不僅存在于K型,而且,在E型熱電偶正極中也有此現象。但是,作為變化量E型熱電偶僅為K型的2/3。總之,K狀态與溫度、時間有關,當溫度分布或熱電偶位置變化時,其偏差也會發生很大變化。故難以對偏差大小作出準确評價。

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