不均勻溫度場對(duì)熱電偶測溫的影響

摘要:論述了不均勻溫度場產(chǎn)生的原因,闡述了測量端接點(diǎn)及熱電極不均勻性的影響。
一、前言
　　熱電偶是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的一種測溫元件,熱電偶標(biāo)準(zhǔn)化的共有七種。我公司作為鋁、鎂合金加工企業(yè),熱處理是整個(gè)工藝過程中較為重要的環(huán)節(jié),也就是說溫度量控制與檢測正確與否直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。從測溫范圍來講屬于中低溫區(qū)，常用的熱電偶為K型鎳鉻-鎳硅熱電偶。從熱處理爐的檢測、控制與測試過程中，爐內(nèi)溫度存在著--定的溫度梯度，由于該現(xiàn)象的存在直接影響其檢測控制精度。
二、熱電偶的工作原理
　　兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體A和B在兩個(gè)端點(diǎn)處連接起來形成-一個(gè)閉合回路。設(shè)兩接點(diǎn)溫度為t和to,如圖1所示。當(dāng)t和to不相等,且假設(shè)t>t0時(shí),回路中有電動(dòng)勢EA(t,t0),產(chǎn)生這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)。所產(chǎn)生的電動(dòng)勢也稱塞貝克電勢。圖1
 
　　塞貝克電勢實(shí)際是由接觸電勢和溫差電勢兩部分所組成。回路中總的熱電勢EAB(t,t0)為:
EAB(t,t0)-EAB(t)-EA(t,to)+EB(t,t0)-EAB(t0)
式中:
EAB(t)、EAB(t0)一-溫度分別t,t0時(shí)AB之間的接觸電勢
EA(t,t0)、EB(t,t0)--AB電極在兩端溫度分別為t,t0時(shí)各自所產(chǎn)生的溫差電勢
　　當(dāng)熱點(diǎn)偶材料確定后,一般認(rèn)為熱電極是均勻的,總電勢只與材料的電子密度有關(guān),而電子密度不僅取決于兩種材料特性且隨溫度變化而變化,所以材料成分一定時(shí)，總熱電勢只與溫度t和t0有關(guān),這樣　EAB(t,t0)與被測溫度T就有單值函數(shù)關(guān)系,稱為熱電偶的熱電特性。由此可知,熱電偶產(chǎn)生熱電勢只與兩接點(diǎn)溫度有關(guān),與導(dǎo)體截面面積及長度無關(guān),也與熱電極的溫度分布無關(guān)。下面具體探討工業(yè)爐不均勻溫度場給熱電偶可能帶來的影響。
三、產(chǎn)生不均勻溫度場的原因
　　從工業(yè)爐種類、類型看可分為各種不同的級(jí)別。如從控制精度傳遞介質(zhì),不同溫度范圍可分中低溫爐,從熱處理過程可分為淬火爐、退火爐、均熱爐、熔煉爐、加熱爐。不論是何種系列的爐子,均勻溫度量作為主要控制參數(shù)。熱力學(xué)第二定律說明了熱量在傳導(dǎo)過程中，即高溫向低溫傳導(dǎo)或低溫向高溫傳導(dǎo),均要受到影響。也就是說,凡是有溫差存在的地方就會(huì)有熱傳導(dǎo)過程。熱交換過程可分為三種基本形式:熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱、熱輻射,單純的導(dǎo)熱現(xiàn)象只能發(fā)生在固體中,在液體或氣體中會(huì)同時(shí)發(fā)生導(dǎo)熱對(duì)流和輻射。
　　工業(yè)爐由于絕熱材料性能不同,被加熱部件形狀大小不同，爐內(nèi)熱傳導(dǎo)介質(zhì)循環(huán)狀態(tài)不同，被加熱介質(zhì)的狀態(tài)不同,均影響著爐內(nèi)溫度分布,使溫度場存在著溫度梯度,即爐內(nèi)溫度空間分布存在不同的等溫面。由于爐內(nèi)溫度場擾動(dòng)源較多,其內(nèi)溫度變化會(huì)出現(xiàn)不均勻性。由于不均勻性溫度場的出現(xiàn)直接影響著熱電偶的測溫精度。.
四、測端接點(diǎn)的影響
　　熱電偶測量端的構(gòu)成方式有焊接.鉚接、壓接等多種形式。實(shí)際操作時(shí),測量端出現(xiàn)了第三種金屬,如兩個(gè)熱電極的焊點(diǎn)就是另一種金屬,所以測量時(shí)應(yīng)保證測量端溫度-致,以避免出現(xiàn)測量誤差。
　　當(dāng)焊接、鉚接、壓接所制作的熱電偶其回路均可加入第三種金屬，如圖二所示,其回路總電勢EABC((t,t0)為
 
　　存在著附加熱電勢,即引入中間金屬導(dǎo)體后,對(duì)回路總電勢產(chǎn)生影響。
　　測量端接點(diǎn)形式各不相同,所產(chǎn)生誤差因素也不同,熱電偶回路中接入第三種金屬兩端溫度相同,且總回路熱電勢大小和方向不受影響,如液態(tài)金屬保證了第三種金屬溫度-致,小焊點(diǎn)接觸點(diǎn)小,可認(rèn)為是處于等溫狀態(tài),在焊接、鉚接、壓接時(shí),應(yīng)使兩電極盡量接近,接點(diǎn)盡量小,以減少受測量處溫度梯度的影響。為了減少熱電偶絲導(dǎo)熱引起被測量表面溫度場的變化應(yīng)沿等溫面或等溫線輻射。
五、熱電極不均勻的影響
　　一般把沿電極絲長度方向的物理、化學(xué)性能的變化叫做熱電極的不均勻性,可分為延伸型和局部型。延伸型的不均勻性表現(xiàn)為在不長的熱電極.上的熱電特性的逐漸變化，產(chǎn)生的原因是控制過程不均勻,局部不均性表現(xiàn)為在不長的熱電極上的熱點(diǎn)特性的突然變化沒有一定的規(guī)律性,產(chǎn)生的原因是材料存在著雜質(zhì)結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,加工局部硬化。
　　把不均勻的熱電極置于不均勻的溫度場中,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加電勢,--般稱之為不均勻熱電勢。熱電偶的塞貝克系數(shù),即熱電率:de/dt
不均質(zhì)熱電偶塞貝克系數(shù):
SABSABO+hAB
SAB-----不均質(zhì)熱電偶塞貝克系數(shù)
SABO------均質(zhì)熱電偶塞貝克系數(shù)
hAB------偶的不均勻度
熱電勢為E=Eo+△E
E0-----均質(zhì)熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢
△E-----熱電偶的不均質(zhì)誤差
　　熱電偶的熱電勢不僅取決于它的測量端和參考端的溫度值，而且與溫度沿著熱電極的分布狀態(tài)有關(guān),熱電極的不均勻性越大,后者影響越顯著。為了探討材料不均勻性的影響，選擇存在著不均勻性問題的K型熱電偶做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，接入300mm時(shí)爐溫為1000℃時(shí)產(chǎn)生誤差3.2℃,插入340mm時(shí)，誤差為I-4℃,說明在溫度梯度越大時(shí),熱電偶的不均勻性誤差越大。
六、結(jié)束語.
　　熱電偶采用焊接方式，其焊點(diǎn)質(zhì)量將直接影響測量溫度的可靠性和正確率,可以通過清洗退火的途徑,來降低熱電偶的不均質(zhì)誤差,清洗可清除電極表面的雜質(zhì).有機(jī)物和氧化物,退火可以消除內(nèi)應(yīng)力,使成分?jǐn)U散而變均勻,退火應(yīng)在均勻溫度場中退火,否則將會(huì)給熱電偶帶來延伸型的不均勻性。熱電偶兩電極的不均勻性效應(yīng)可能是疊加的,也可能是相減的,因此,通過相應(yīng)處理和選擇不均勻性的校正是可能的。