熱電偶測(cè)量誤差分析

摘要:從實(shí)際應(yīng)用出發(fā),簡(jiǎn)述了塞貝克效應(yīng)、珀?duì)柼?yīng)和湯姆遜效應(yīng)，闡述了熱電偶產(chǎn)生熱電勢(shì)必須具備的條件。從插入深度的影響、響應(yīng)時(shí)間的影響、絕緣電阻的影響、熱輻射的影響、熱電阻的影響、補(bǔ)償導(dǎo)線的影響、不均勻熱電勢(shì)的影響、干擾引起的誤差等八個(gè)方面詳細(xì)分析了對(duì)熱電偶測(cè)量誤差的影響。因?yàn)闊犭娕嫉陌惭b容易被忽視，所以文章也介紹了安裝位置、安裝方式所帶來的測(cè)量誤差及需要注意的事項(xiàng)。根據(jù)實(shí)際使用情況，指出了公司熱處理爐所使用的熱電偶存在的問題并提出了改進(jìn)意見。
0引害
　　熱電效應(yīng)理論得到了不斷的發(fā)展，并日趨完善。熱電偶是熱電效應(yīng)的具體應(yīng)用之一，它廣泛地應(yīng)用于溫度的測(cè)量與控制，可以在-200~2300℃溫度內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，具有性能穩(wěn)定、正確可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，它雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但在安裝使用時(shí)必須遵循相應(yīng)的技術(shù)規(guī)定，否則，會(huì)引起較大的測(cè)量誤差，造成測(cè)溫不準(zhǔn)，降低熱電偶使用壽命。車間熱處理爐就是使用熱電偶進(jìn)行測(cè)溫，測(cè)溫精度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要，對(duì)操作人員、拆裝人員、維保人員和相關(guān)技術(shù)人員來說，了解影響熱電偶測(cè)溫不正確的各種因素是非常必要的。因此，對(duì)熱電偶的工作原理、影響熱電偶測(cè)量誤差的主要因素及安裝注意事項(xiàng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，希望能對(duì)相關(guān)人員有所幫助，對(duì)提高公司產(chǎn)品質(zhì)量起到作用。
1熱電偶工作原理
1.1塞貝克效應(yīng)
　　在1821年，塞貝克發(fā)現(xiàn)，用兩種不同材質(zhì)的金屬兩端彼此相聯(lián)，組成一個(gè)閉合的回路(如圖1)，通過對(duì)一連接端加熱時(shí)，由于兩連接端產(chǎn)生了溫度差，這時(shí)回路就會(huì)產(chǎn)生電流，這一現(xiàn)象稱為溫差電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為溫差熱電動(dòng)勢(shì)或塞貝克電動(dòng)勢(shì)。
 
1.2珀?duì)柼?yīng)
　　在1834年，珀?duì)柼l(fā)現(xiàn)，當(dāng)用外部直流電源向熱電偶回路輸送電流時(shí)，兩接點(diǎn)處的溫度就會(huì)發(fā)生變化，一個(gè)接點(diǎn)吸熱，另-一個(gè)接點(diǎn)放熱，這一-現(xiàn)象稱為珀?duì)柼?yīng)。
 
　　如圖2所示，這種由于兩種導(dǎo)體自由電子密度不同而在接觸處形成的熱電動(dòng)勢(shì)稱為珀?duì)柼妱?shì)。
1.3湯姆遜效應(yīng)
　　1851年，英國(guó)物理學(xué)家湯姆遜在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)“在同.金屬材料中，隨著電流的方向不同(從金屬熱端到冷端或從金屬冷端到熱端)，所產(chǎn)生的熱效應(yīng)也不同。”這一效應(yīng)稱為湯姆遜效應(yīng)。如圖3,在-.根均質(zhì)的導(dǎo)體上，如果存在溫度梯度，那么也會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱為湯姆遜電勢(shì)。
 
　　由此可見，熱電偶的工作原理是由于兩種不同材質(zhì)的金屬相互連接構(gòu)成閉合回路,而連接的兩端存在溫度差異，從而在閉合回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)，所產(chǎn)生的熱電勢(shì)與溫度差成比例關(guān)系，通過對(duì)熱電勢(shì)的測(cè)量可計(jì)算出溫度差，一端溫度恒定,從而得出被測(cè)量介質(zhì)的溫度。
3測(cè)量誤差的主要來源
3.1插入深度的影響
　　由熱電偶工作原理可知，其測(cè)溫時(shí)，因連接的兩端存在溫度差，從而在閉合回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)，在其縱向方向會(huì)產(chǎn)生熱流，當(dāng)兩端的溫差較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱損耗，將導(dǎo)致熱電偶測(cè)量溫度比實(shí)際被測(cè)溫度偏低，產(chǎn)生測(cè)量誤差。因熱損耗引起的測(cè)量誤差，與熱電偶的插入深度、熱電偶保護(hù)管材質(zhì)、被測(cè)對(duì)象狀態(tài)緊密相關(guān)，為了減少熱損耗帶來的誤差，若金屬保護(hù)管由于其絕熱性能差而導(dǎo)熱性能好，可插入深一些(一般為保護(hù)管直徑的15~20倍);若非金屬保護(hù)管,由于其導(dǎo)熱性能差而絕熱性能好，則可插入淺一些(一般為保護(hù)管直徑的10~15倍);被測(cè)對(duì)象為流動(dòng)的液體或高速氣流，其溫度測(cè)量則可插入淺一些，具體數(shù)值可根據(jù)實(shí)際測(cè)量試驗(yàn)來確定，以精度最高為宜。
3.2響應(yīng)時(shí)間的影響
　　熱電偶的熱響應(yīng)時(shí)間常數(shù)是指當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度發(fā)生變化時(shí)，熱電偶所測(cè)溫度達(dá)到被測(cè)介質(zhì)實(shí)際溫度的63.2%所需的時(shí)間。實(shí)踐證明，時(shí)間常數(shù)越小，則熱惰性小、動(dòng)態(tài)誤差小、響應(yīng)速度快。實(shí)際測(cè)量時(shí)，為了讓測(cè)量的溫度接近被測(cè)溫度，則需要保持一定時(shí)間，使得.測(cè)溫?zé)犭娕寂c被測(cè)的對(duì)象溫度達(dá)到熱平衡后，才能正式讀取或采集溫度值。熱響應(yīng)時(shí)間是表示熱電偶響應(yīng)快慢的一-個(gè)特性參數(shù)，它主要取決于熱電偶的結(jié)構(gòu)、尺寸、材料及測(cè)量條件。若被測(cè)介質(zhì)為靜止氣體，由20℃達(dá)到400℃時(shí)的測(cè)量，一般需要保持15min左右溫度才能達(dá)到平衡;若被測(cè)介質(zhì)為液體，一.般需要保持5min以上溫度才能達(dá)到平衡。
　　熱電偶測(cè)溫響應(yīng)時(shí)間與熱電偶的測(cè)量端直徑有關(guān)，熱電偶偶絲越細(xì)，則其直徑越小，響應(yīng)時(shí)間就越短。如果測(cè)溫環(huán)境允許，也可不加保護(hù)管。
3.3絕緣電阻的影響
　　鎧裝熱電偶測(cè)溫時(shí)，由于氧化物的電阻率在高溫下與溫度成反比，而電阻率與電阻是成正比，因此溫度越高氧化物的電阻率會(huì)越低，則熱電偶的絕緣電阻也越低，因是并聯(lián)關(guān)系越容易產(chǎn)生分流，產(chǎn)生測(cè)量誤差，這是熱電偶絕緣電阻分流造成的誤差，稱為分流誤差。由于鎧裝熱電偶的絕緣物是粉末狀氧化鎂，當(dāng)中間部位溫度較高時(shí)有漏電流產(chǎn)生，應(yīng)加大鎧裝熱電偶的直徑,增加絕緣體厚度，以減少絕緣電阻帶來的誤差，否則選擇普通型熱電偶。
3.4熱輻射的影響
　　熱電偶用于加溫爐測(cè)溫時(shí)，爐內(nèi)高溫物體發(fā)出的熱輻射會(huì)對(duì)熱電偶加熱，當(dāng)熱電偶與加溫爐爐壁的溫度差比較高時(shí)，由于熱交換，會(huì)使熱電偶的測(cè)量產(chǎn)生誤差,為了減少熱輻射對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的影響，一般采取加大熱傳導(dǎo)和加強(qiáng)氣體的對(duì)流，使熱電偶的溫度與加熱爐爐壁的溫度盡量接近，在熱電偶安裝時(shí)，盡量遠(yuǎn)離可能產(chǎn)生熱輻射的固體物質(zhì)，對(duì)熱電偶可采取加裝熱輻射屏蔽罩等方式進(jìn)行屏蔽。
3.5熱電阻的影響
　　熱電偶長(zhǎng)期使用，其保護(hù)套管處表面會(huì)附著灰塵和氧化物，在高溫時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱電阻，由于電阻的增大,不僅會(huì)增加熱電偶的響應(yīng)時(shí)間，還會(huì)造成示值溫度偏低，對(duì)水平安裝的熱電偶產(chǎn)生的影響更加明顯。因此，除了定期檢定外還應(yīng)定期檢查并清理，以保持熱電偶保護(hù)管外部的清潔。
3.6補(bǔ)償導(dǎo)線的影響
　　必須正確選擇熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線并按規(guī)定要求使用，否則會(huì)帶來誤差，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的選擇應(yīng)與熱電偶分度號(hào)一致，在同一溫度環(huán)境并在規(guī)定的使用溫度(普通補(bǔ)償導(dǎo)線小于100℃,耐熱型補(bǔ)償導(dǎo)線小于200C)下使用，補(bǔ)償導(dǎo)線的正負(fù)極和電熱偶的正負(fù)極要一一對(duì)應(yīng)，切勿將其極性接反，補(bǔ)償導(dǎo)線極性接錯(cuò)時(shí)，不僅不能起到參考端補(bǔ)償作用，相反會(huì)產(chǎn)生更大的誤差，這種誤差是不進(jìn)行參考端補(bǔ)償所產(chǎn)生誤差的兩倍。
3.7不均勻熱電勢(shì)的影響
　　當(dāng)熱電偶處于溫度梯度的溫場(chǎng)中，而熱電極材料是不均勻的，則在熱電偶回路里便會(huì)產(chǎn)生附加電勢(shì)(稱為湯姆遜電勢(shì))，這種附加電勢(shì)也稱為不均勻電勢(shì)，它會(huì)改變熱電偶的熱電特性，產(chǎn)生測(cè)量誤差。產(chǎn)生熱電偶不均勻熱電勢(shì)的因素主要有:
①熱電極材質(zhì)本身不均勻;
②加工時(shí)造成的不均勻:
③用過程中的局部拉伸、彎曲變形造成的不均勻:
④在高溫使用過程中，被測(cè)介質(zhì)、絕緣材料等對(duì)熱電偶的局部玷污、滲透、腐蝕或晶格結(jié)構(gòu)的改變,造成的不均勻。
3.8干擾引起的誤差
　　當(dāng)溫度高時(shí)，加熱爐的耐熱保溫層和熱電偶的絕緣材料的絕緣性能會(huì)降低，使其具有了一定的導(dǎo)電性能，這時(shí)加熱電源會(huì)經(jīng)其泄露到熱電偶電極上，產(chǎn)生漏電干擾:若熱電偶周圍安裝有大功率電動(dòng)設(shè)備、變壓器、動(dòng)力電源線纜時(shí)，由于電流大、電壓高，在其周圍會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)、電場(chǎng)或較大的地電流，從而在熱電偶測(cè)量回路中產(chǎn)生干擾電動(dòng)勢(shì)，對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來測(cè)量誤差，甚至?xí)斐蓽y(cè)量結(jié)果的嚴(yán)重失真。
干擾通常分為線間干擾和對(duì)地干擾，可采用老式晶體管電壓表來測(cè)量，線間干擾電壓一般可達(dá)到幾毫伏到幾十毫伏，而對(duì)地干擾則可達(dá)到幾伏到一百伏。因此，熱電偶在選擇、安裝、使用時(shí)要特別注意，避免漏電、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、地電流等帶來的干擾，保證測(cè)量結(jié)果的真實(shí)可靠性。
4熱電偶安裝
4.1安裝位置
　　根據(jù)生產(chǎn)工藝對(duì)溫度的測(cè)量與控制要求，使用熱電偶來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量與控制，其測(cè)溫點(diǎn)的選擇必須能真實(shí)正確反映該工藝參數(shù)，通常應(yīng)從以下幾點(diǎn)來確定:
①測(cè)溫點(diǎn)要選擇生產(chǎn)產(chǎn)品加溫的位置且在溫度比較均勻、與被測(cè)介質(zhì)要能接觸充分的地方，測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)溫度時(shí)，測(cè)溫點(diǎn)應(yīng)選在介質(zhì)正常流動(dòng)的區(qū)域，測(cè)量固體溫度時(shí)，測(cè)溫點(diǎn)應(yīng)選在被測(cè)物體表面且接觸緊密。對(duì)測(cè)溫點(diǎn)周圍的溫度盡可能控制其變化，以減小導(dǎo)熱帶來的誤差。
②熱電偶的安裝位置要遠(yuǎn)離加熱源或爐門。
③其周圍不應(yīng)有強(qiáng)電磁場(chǎng)、各種電源及動(dòng)力線纜等，如若不能避開，應(yīng)采取加裝屏蔽罩等防護(hù)措施，避免電磁場(chǎng)等因素干擾，減少測(cè)量誤差。
④熱電偶冷端通常應(yīng)控制在100C以下，常溫為最佳。
4.2安裝方式
　　熱電偶安裝方式通常有水平安裝、垂直安裝和傾斜安裝三種。
①水平安裝，因灰塵、氧化物等雜質(zhì)容易積聚在熱電偶保護(hù)套管表面，使用時(shí)，一般情況不會(huì)經(jīng)常進(jìn)行清理，則不僅會(huì)影響測(cè)量響應(yīng)時(shí)間，還會(huì)使測(cè)量結(jié)果偏小，動(dòng)態(tài)性能下降。
②垂直安裝，可最大限度減少灰塵、氧化物等雜質(zhì)的積聚，避免外來因素的干擾，最大限度提高其測(cè)量精.度和動(dòng)態(tài)性能，是熱電偶測(cè)溫首選的安裝方式。
③傾斜安裝，在測(cè)量管道中流體溫度時(shí)常用，一般采用45°角安裝為最佳。
熱電偶用于加熱爐測(cè)溫時(shí)，其與安裝孔間存在的空隙，必須使用石棉繩或耐火泥等絕熱材料密封，以減少.爐膛內(nèi)、外空氣對(duì)流產(chǎn)生的誤差,從而提高測(cè)量精度。
5結(jié)語
　　熱處理爐爐溫測(cè)量時(shí)使用四根熱電偶測(cè)量，其長(zhǎng)度700mm，水平安裝。根據(jù).上述的分析，目前存在的問題:①插入深度沒有限制裝置，有隨意性:②水平安裝，未對(duì)維護(hù)保養(yǎng)進(jìn)行明確規(guī)定，沒有定期進(jìn)行清理:③熱電偶保護(hù)套管和爐壁孔.間的空隙未用石棉繩或耐火泥等絕熱材料密封。建議設(shè)置插入深度限制裝置，由于采用金屬保護(hù)管，直徑φ20mm,其最佳插入深度應(yīng)為300~400mm,限制裝置的設(shè)置應(yīng)根據(jù)爐子壁厚、彈簧托板放置位置，插入深度選擇合適的熱電偶長(zhǎng)度和限制位置，盡量滿足.300~400mm的要求:明確維護(hù)保養(yǎng)要求進(jìn)行定期清理，因不能垂直安裝，或改為傾斜45°安裝:保護(hù)套管和爐壁孔間的空隙采用石棉繩或耐火泥等絕熱材料對(duì)其加以密封，以提高爐溫的測(cè)量精度，保證爐溫測(cè)量的正確可靠，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。