熱電偶溫度跳躍問題的處理措施

摘要:熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件，能夠直接測量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，通過電器儀表轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度，對(duì)熱電偶在測溫過程中出現(xiàn)的溫度跳躍問題產(chǎn)生的原因進(jìn)行簡要分析，并提出相應(yīng)的解決方案，為熱電偶在實(shí)際工程測量中的運(yùn)用提供參考。
　　熱電偶在測溫過程中會(huì)受到多種因素的影響，例如:測量環(huán)境、氣溫、絕緣材料和保護(hù)管材料的污染等，會(huì)使測量結(jié)果產(chǎn)生偏差，而且在使用一段時(shí)間后，其熱電性能會(huì)發(fā)生改變，特別是在高溫腐蝕的情況下，變化尤為明顯，這些都會(huì)導(dǎo)致測溫過程出現(xiàn)問題，針對(duì)其中的溫度跳躍問題進(jìn)行分析與處理。
一、熱電偶測溫原理
　　熱電偶是溫度傳感器所依據(jù)的原理，其來源于1928年賽貝克發(fā)現(xiàn)的熱點(diǎn)效應(yīng)。將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B任意-端焊接在一起就構(gòu)成了熱電偶。在此過程中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B被稱為熱電極，插入測溫場所、被焊接的一端是工作端，另--端被稱為冷端，當(dāng)二者出現(xiàn)溫差時(shí)就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，這個(gè)物理現(xiàn)象就被稱為熱電效應(yīng)或者賽貝克效應(yīng)，而其中的熱電勢(shì)被稱為賽貝爾克電勢(shì)。閉合回路中產(chǎn)生的熱電勢(shì)由兩種電勢(shì)組成:溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)，溫差電勢(shì)是指:同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時(shí)，高溫端的電子能量要比低溫端的電子能;量大，因而從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多，結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因獲得多余的電子而帶負(fù)電。因此，在導(dǎo)體兩端就形成了溫差電勢(shì)。而接觸電勢(shì)顧名思義就是指兩種不同的金屬互相接觸時(shí)，由于不同金屬內(nèi)自有電子的密度，在兩金屬A和B的接觸點(diǎn)處會(huì)發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴(kuò)散到密度小的金屬B,使A失去電子帶正電，B得到電子帶負(fù)電從而產(chǎn)生接觸電勢(shì)，接觸電勢(shì)的大小取決于導(dǎo)體或半導(dǎo)體A、B的性質(zhì)以及它們接觸點(diǎn)的溫度。
二、熱電偶溫度跳躍問題產(chǎn)生的原因
　　在運(yùn)用熱電偶進(jìn)行測溫過程中，常常會(huì)出現(xiàn)一種情況:熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)極不穩(wěn)定，一般都是在-500℃到500℃之間跳躍，然而真正的溫度應(yīng)該是300℃左右，出現(xiàn)這種情況的原因可能有以下幾點(diǎn);
1.熱電極被玷污和腐蝕
　　熱電極被玷污和腐蝕主要針對(duì)的是高溫環(huán)境，在熱電偶的使用過程中，由于受保護(hù)管雜質(zhì)和環(huán)境氣氛等因素的影響，很容易被玷污和腐蝕，一-旦這種現(xiàn)象發(fā)生，就會(huì)導(dǎo)致熱電偶的熱電特性與原來的分度特性發(fā)生偏離，從而造成了溫度上的不穩(wěn)定，產(chǎn)生了誤差。玷污、腐蝕的程度越大，熱電特性改變程度越大，誤差也就越大。反之，玷污、腐蝕程度越小，熱電特性改變程度越小，誤差也就越小。這就是造成熱電偶溫度跳躍問題的主要因素之一。
2.熱電偶接線盒內(nèi)部有污染物
　　在電氣線路中，接線盒是電工輔助材料中的一種，接線盒主要起過渡的作用，因?yàn)檠b修用的電線是穿過電線管的，當(dāng)線路比較長或者電線管要轉(zhuǎn)角時(shí)，就需要在電線的接頭部位采用接線盒，從而起到保護(hù)電線和連接電線的作用。在熱點(diǎn)偶中使用接線盒主要是為了連接熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線，雖然熱電偶接線盒的出線孔和蓋子都用墊圈加以密封，但是還是很難保證沒有污染物落入其中，例如:導(dǎo)電液體、潮濕粉塵、金屬液體等，從而使接線的可靠性難以得到保證，使得熱電偶測溫不準(zhǔn)確，在測溫過程中出現(xiàn)了溫度跳躍問題。
3.測溫過程中受到干擾
　　測溫過程中受到的干擾主要來源于熱電偶內(nèi)部和外部環(huán)境，在內(nèi)部，如果是在高溫環(huán)境中，熱電偶絕緣材料和加熱爐的耐火磚的絕緣性能就會(huì)降低，從而使發(fā)熱體、爐磚、絕緣材料以及熱電偶保護(hù)管泄漏，造成加熱爐的電源與熱電極的直接接觸，產(chǎn)生了漏電干擾。在外部，主要受大功率電動(dòng)機(jī)、變壓器、強(qiáng)電流導(dǎo)線的影響，使熱電偶測量回路附近產(chǎn)生較大的交變磁場、高壓電廠或較大的地電流，這些都造成了附加電動(dòng)勢(shì)在測量回路中的產(chǎn)生，使得測溫過程中出現(xiàn)了溫度跳躍問題。
三、對(duì)熱電偶溫度跳躍問題的解決方案
1.正確選擇保護(hù)管材料和絕緣材料
　　在實(shí)際生活中使用熱電偶時(shí)，除了極特殊的情況，例如:快速測量的場所中所使用的裸露電熱偶，不需要保護(hù)管，其他情況都是需要加保護(hù)管的。而保護(hù)管對(duì)熱電偶穩(wěn)定性影響極大，因此要依據(jù)使用條件,選擇不同的保護(hù)管材料。金、銀及鉑族金屬等8種元素稱貴金屬，由這些金屬或合金構(gòu)成的熱電偶稱貴金屬熱電偶，除此之外統(tǒng)稱廉金屬熱電偶，如鎳基合金熱電偶及難熔熱電偶金屬等。貴金屬熱電偶抗金屬蒸汽的能力差，因此不適宜采用金屬或合金材料做保護(hù)管，而廉金屬熱電偶抗金屬蒸汽的能力較強(qiáng)，一般可直接采用金屬或合金做保護(hù)管。
　　除此之外，還要注重絕緣材料的選擇，因?yàn)檫@也是引起熱電極受污染的重要因素之一。絕緣材料具有耐高溫、耐腐蝕、用途廣、效用多、重量輕且堅(jiān)固等特性，在目前的絕緣材料中，應(yīng)用的最多的就是氧化鋁，但是氧化鋁對(duì)熱電極卻有著一定的影響，因?yàn)檠趸X中所含有的二氧化硅(Si02)在高溫還原性氣氛中，能夠被還原成金屬Si,從而使鉑電極受到污染，使熱電極被熔斷。同時(shí)，氧化鋁中所含有的氧化亞鐵(Fe0)，在同等氣氛中，會(huì)被還原成金屬Fe,鐵受到了鉑的污染，導(dǎo)致了熱電特性漂移現(xiàn)象的產(chǎn)生。而且相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，在氬氣與中真空中用貴金屬熱電偶測溫時(shí)，若使用高純氧化鋁作絕緣管，熱電極受污染程度與其自身粗細(xì)有直接的關(guān)系，熱電極越粗，受Fe污染的影響越小。所以，在對(duì)絕緣材料進(jìn)行選擇時(shí)，要選用高純鐵處理的氧化鋁絕緣管，而且還要最大限度的使用粗一點(diǎn)的熱電極。
2.對(duì)熱電偶接線盒進(jìn)行仔細(xì)檢查
　　由于工作人員的疏忽大意，使熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線和測溫儀表之間出現(xiàn)人為故障，導(dǎo)致熱電偶檢測安裝后，在測量溫度時(shí)仍然會(huì)出現(xiàn)溫度跳躍的情況。所以，要對(duì)熱電偶接線盒進(jìn)行仔細(xì)的檢查，檢查要點(diǎn)如下:
(1)接線盒中是否有污染物
(2)補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶配置是否不當(dāng)
(3)熱電偶與測溫儀分度號(hào)是否一致
(4)補(bǔ)償導(dǎo)線是否接錯(cuò)
　　當(dāng)發(fā)生以上四點(diǎn)問題時(shí)，一方面耍將熱電偶接線盒認(rèn)真清洗并烘干，從而保證接線的可靠性,避見測溫過程中出現(xiàn)溫度跳躍問題;另方面,如果將熱電偶的兩個(gè)補(bǔ)償導(dǎo)線接反了，就會(huì)出現(xiàn)溫度跳負(fù)數(shù)的情況，此時(shí)儀表就無法正常工作，無法顯示真正的溫度，補(bǔ)償導(dǎo)線就相當(dāng)于一支在0-100℃范圍內(nèi)的熱電偶，它的電流如熱電偶般，山正極經(jīng)參考端流向負(fù)極。因此，在對(duì)熱電偶進(jìn)行連接時(shí)補(bǔ)償導(dǎo)線的正負(fù)極與熱電偶的正負(fù)極應(yīng)該足相對(duì)應(yīng)的，而不足相反的，如果相反了，不僅使補(bǔ)償?shù)淖饔玫貌坏桨l(fā)揮，還會(huì)使熱電偶中的一部分熱電勢(shì)被抵消，使儀表所顯示的溫度偏低。同時(shí)，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶之間的型號(hào)也是相對(duì)應(yīng)的，也就足說熱電偶和所配會(huì)使用的補(bǔ)償導(dǎo)線在規(guī)定范圍內(nèi)必須一致。
3.實(shí)行一些抗干擾措施
(1)將鐵管接到地上，并將熱電偶的引線穿在鐵管里面，若想實(shí)現(xiàn)更好的抗+擾效果，可以試著將熱電偶引線紋起來。
(2)將熱電偶的測量端接地，從熱電偶測量端引出一根金屬絲直接接地。這是因?yàn)楦邷芈╇姲l(fā)生頻率最高的地方就足熱電偶測量端附近，將測量端接地，在抗干擾上能夠達(dá)到很好的效果。但采用這種抗干擾措施時(shí)，所要注意的是:選用的金屬絲要耐得住高溫，這樣才能對(duì)電極進(jìn)行有效的保護(hù)。
(3)將熱點(diǎn)偶置于空中，使熱電偶與爐壁間的耐火磚不發(fā)生接觸。在使用這種抗干擾措施時(shí)，應(yīng)該對(duì)熱點(diǎn)偶進(jìn)行垂直安裝，這樣才能有效避免保護(hù)管變形現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而降低熱量的損失，增強(qiáng)測溫的穩(wěn)定性。
(4)可以采用屏蔽方法。這種抗干擾措施能夠使泄漏的電流不再流入測量回路，而是經(jīng)過金屬屏蔽物直接接地，從而能夠最大限度的降低跳躍問題發(fā)生的幾率。
結(jié)語:
　　總之，在熱電偶測溫過程中，產(chǎn)生溫度跳躍問題的原因還有很多，例如:熱電偶接線柱和熱電極接觸不良、儀表連接處不牢固、熱電偶安裝不牢固等。對(duì)于所出現(xiàn)的每一個(gè)問題,都要進(jìn)行科學(xué)細(xì)致的分析，提出最佳解決方案，這樣才能有效避免熱電偶溫度跳躍問題的產(chǎn)生。