影響熱電偶測量精度因素

摘要:日常的測量參數(shù)中,溫度是最經(jīng)常要求準(zhǔn)確測量的一個(gè)參數(shù)。不論用何種溫度測量儀器來測量溫度,都要求測量準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、測量數(shù)值穩(wěn)定，不易受外界各種不利因素的影響。在熱電偶溫度計(jì)的設(shè)計(jì)和使用中,使其測量精度達(dá)到高,一直是人們所追求的目標(biāo)。眾多的干擾因素一直影響著熱電偶溫度計(jì)的測量精度。要想準(zhǔn)確測量溫度,正確使用熱電偶溫度計(jì),只有清楚熱電偶溫度計(jì)的工作方式，消除各種不利因素,才能達(dá)到最佳工作狀態(tài)，為生產(chǎn)、生活提供便利。
　　熱電偶由于具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，測量方便等優(yōu)點(diǎn)故在工業(yè)溫度測量中得.到廣泛應(yīng)用,但是，要得到正確的測量結(jié).果,必須認(rèn)識(shí)了解熱電偶的特性和正確使用.否則將會(huì)在測量中帶來很大的誤差.下面從幾個(gè)方面闡述影響熱電偶測量不穩(wěn)定因素。
1熱電偶熱電特性不穩(wěn)定的影響
1.1沾污與應(yīng)力的影響
(1)熱電偶在生產(chǎn)加工過程中,偶絲經(jīng)過多道縮徑拉伸在其表面總是受沾污的。同時(shí)從偶絲內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看。不可避免地存在應(yīng)力及晶格的不均勻性.這些物理狀態(tài)的不一致性對偶絲的塞貝克系數(shù)有影響,影響熱電偶示值的不穩(wěn)定性。所以,一-支退火不合格的熱電偶,不可能用來準(zhǔn)確的測溫。因淬火或冷加工引入的應(yīng)力,可以用退火的方法予以基本消除。退火不合格所造成的示值誤差,可達(dá)十分之幾度到幾度的變化。它與待測溫度和熱電偶電極上的溫度梯度大小有關(guān)。廉價(jià)金屬熱電偶絲通常以“退火"狀態(tài)交付使用，如果需要對高溫用廉價(jià)金屬熱電偶進(jìn)行退火，那么,退火溫度應(yīng)高于使用溫度的上限插入深度也應(yīng).大于實(shí)際使用深度。
(2)對于作為基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)用的熱電偶,在分度時(shí)最好在每一個(gè)分度點(diǎn)后都進(jìn)行退火。對貴金屬熱電偶來說,退火程序是很重要的。在標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的檢定規(guī)程中規(guī)定,標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在檢定前必須先進(jìn)行清洗和退火,以消除熱電偶的沾污和應(yīng)力，從而改善了偶絲材料的金相組織,達(dá)到了提高測量穩(wěn)定性。
1.2不均勻性的影響
(1)在熱電偶的理論中指出,由均質(zhì)導(dǎo)體制成的熱電偶其熱電勢與兩端溫度有關(guān).而與沿?zé)犭姌O長度的溫度分布無關(guān)。若熱電極材料不是均勻的,兩熱電極又處于溫度梯度場中.則熱電偶會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加熱電勢.即稱為"不均勻電勢"。不均勻電勢的大小取決于沿?zé)犭姌O長度的溫度梯度分布狀態(tài).材料的不均勻形式和不均勻程度.以及熱電極在溫度場所處的位置。
(2)造成熱電極不均勻的原因,主要是化學(xué)成分和物理狀態(tài)兩方面,在化學(xué)成分方面如雜質(zhì)分布不均勻.成分的偏析熱電極表面局部的金屬揮發(fā).氧化或某金屬元素選擇性氧化,測量在高溫下的熱擴(kuò)散.以及熱電偶在有害氣氛中受到沾污和腐蝕等.在物理狀態(tài)方面有應(yīng)力分布不均勻和電極結(jié)構(gòu)不均勻等.在工業(yè)中使用的熱電偶,有時(shí)不均勻性電勢引起的附加誤差竟達(dá)20℃多度。這將嚴(yán)重地影響熱電偶的穩(wěn)定性和互換性.所以均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。
2熱電偶自身不穩(wěn)定性的影響
　　不穩(wěn)定性就是熱電偶的分度值.隨時(shí)間和使用條件的不同而引起的變化。在大多數(shù)情況下,它可能是不準(zhǔn)確性的主要原因.
　　如果分度值的變化相對地講是緩慢而又均勻的,這是經(jīng)常進(jìn)行監(jiān)督性校檢(如標(biāo)準(zhǔn)熱電偶),或根據(jù)實(shí)際使用情況安排周期檢定,.這樣可以減少不穩(wěn)定性引入的誤差。
2.1影響不穩(wěn)定性因素
(1)沾污。前面已討論過偶絲將影響熱電偶的塞貝克系數(shù)偶絲材料往往受到環(huán)境氣氛或保護(hù)管雜質(zhì)沾污,不同程度的沾污所產(chǎn)生的附加電勢也不同，這種附加電勢將改變原來的分度特性，這是造成熱電偶示值不穩(wěn)定的一個(gè)因素。例如.鉑銠10-鉑熱電偶,當(dāng)使用的陶瓷管中含有鐵的雜質(zhì),鉑銠絲受鐵沾污后,就影響其熱電特性:當(dāng)在含硅的高溫還原性氣氛中使用時(shí)，由于硅被還原成自由硅而與鉑鍺絲化合成為鉑硅化合物.使偶絲變脆.檢定標(biāo)準(zhǔn)熱電偶所用的絕緣瓷管都要求用王水清洗,高溫烘烤并規(guī)定正、負(fù)極的穿孔極性.若在常用的管中把熱電極的正、負(fù)極穿錯(cuò).原穿鉑銠孔中的鉑，會(huì)向鉑極滲透而改變標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電特性上述種種情況都會(huì)影響熱電偶的穩(wěn)定性。
(2)熱電極在高溫下?lián)]發(fā),熱電偶的偶絲材料多數(shù)是合金材料.由于各組分材料的蒸氣壓不同.所以揮發(fā)的程度也不同,在高溫下使用一定時(shí)間后.合金成分比例就有所改變.這將導(dǎo)致熱電勢產(chǎn)生明顯變化。
(3)氧化還原。許多熱電偶的不穩(wěn)定性是由于偶絲氧化造成的。銅-康銅、鐵-康銅、鎳鉻_鎳硅等熱電偶都能與氧化發(fā)生反應(yīng).如果熱電極是均勻氧化,影響可能小一些;若是具有擇優(yōu)氧化,則其影響是很嚴(yán)重的。在低氧分壓中(即缺氧的情況下)，鎳鉻電極中的鉻將產(chǎn)生擇優(yōu)氧化而改變偶絲的組合成分。
(4)脆化。脆化是熱電偶報(bào)廢的最普遍因素。沾污.晶粒生長,氧化(例如鎳鉻-鎳鋁)和長期使用于高溫下再結(jié)晶(如鎢)等因素.都可能導(dǎo)致偶絲的脆化。
(5)輻射。熱電偶工作在原子反應(yīng)堆中，受到中子轟擊后.偶絲材料中如果有一種或幾種元素發(fā)生蛻變(例如銠蛻變?yōu)殁Z),改變了偶絲的成分,使熱電特性發(fā)生了明顯的變化。
2.2熱電偶的穩(wěn)定性檢測
(1)檢查新制標(biāo)準(zhǔn)熱電偶熱電動(dòng)勢的穩(wěn)定性.是將熱電偶放入退火爐中,使從測量端起400mm的一段處于某一要求溫度的均勻中進(jìn)行兩次退火Ih~2h,第一次退火可消除熱電偶的內(nèi)應(yīng)力.取出后在規(guī)定的溫度下測量其熱電勢然后再放入退火爐中,按上述方法再進(jìn)行一次退火取出后再測其電動(dòng)勢.以第二次退火前后(在同--規(guī)定的溫度點(diǎn))兩次熱電動(dòng)勢之差作為評價(jià)標(biāo).準(zhǔn)，若不超過測量點(diǎn)要求即為合格。
(2)使用中的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶.其熱電動(dòng)勢的穩(wěn)定性,是以檢定測得的熱電動(dòng)勢和上一次檢定結(jié)果比較，若不超過允許變化誤差值,即為合格。
3參考端溫度的影響
　　熱電偶的熱電動(dòng)勢的大下與熱電極材料以及工作端的溫度有關(guān)。熱電偶的分度表和根據(jù)分度表的溫度顯示儀表都是以熱點(diǎn)偶參考端溫度等于0℃為條件的。所以在使用時(shí)必須遵循這一條件。如果參考端溫度tn不等于0℃,盡管被測溫度t恒定不變,熱電勢EAB(,n)也將隨著參考端溫度tn的變化而變化。其變化大小可根據(jù)熱電偶的中間溫度定律求得。
EAB(t,tn)=EAB(t,tn)+EAB(tn,to)
　　當(dāng)t0>0℃時(shí),此時(shí)熱電偶的熱電動(dòng)勢減少了EAB(tn,to),因而將使測量儀表的示值下降。因此,當(dāng)參考端溫度不等于0℃時(shí)，對被測溫度的準(zhǔn)確性有著十分重要的影響。
　　用熱電偶測溫時(shí)，要使參考端溫度保持在0℃比較麻煩,一般只有在實(shí)驗(yàn)室作精密測溫時(shí)才有必要。通常在工程測量中,參考端溫度大都處在室溫或波動(dòng)的溫區(qū)，這時(shí)，要測出實(shí)際溫度。就必須采取修正或補(bǔ)償?shù)却胧?br /> 　　補(bǔ)正方法有幾種方式:熱電勢補(bǔ)正法、溫度補(bǔ)正法、調(diào)儀表起始點(diǎn)法、補(bǔ)償導(dǎo)線法、參考端溫度補(bǔ)償器。都可以達(dá)到修正測量結(jié)果。
4傳熱影響
　　當(dāng)熱電偶插入被測介質(zhì)(如氣流)時(shí),它要從被測介質(zhì)吸收熱量使自身溫度升高,同時(shí)它又以熱輻射方式和熱傳導(dǎo)方式向溫度低的地方散發(fā)熱量。由于熱電偶傳熱影響,使得熱電偶達(dá)不到吸收熱量的情況下所應(yīng)該達(dá)到的溫度。經(jīng)過若干時(shí)間以后，當(dāng)測量端向外散失的熱量等于自氣流中吸收的熱量時(shí),即達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,此時(shí)熱電偶達(dá)到了穩(wěn)定的示值.但此示值并不代表氣流的真實(shí)溫度.因?yàn)闇y量端環(huán)境散失的熱量是由于氣流的加熱來補(bǔ)償也就是說,測量端與環(huán)境的傳熱愈強(qiáng),測量端的溫度偏離氣流溫度也愈大。在這種情況下，如仍以熱.電偶的指示溫度T偶來表示氣流溫度T氣,勢必引入(T氣-T偶)誤差,即傳熱誤差。
5動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差
　　熱電偶插入被測介質(zhì)后,由于本身具有熱惰性,因此不能立即指示出被測氣流的溫度,其示值Ta將逐漸上升,-直到測量端吸熱放熱達(dá)到動(dòng)平衡后才達(dá)到穩(wěn)定的示值Ta∞。在熱電偶插入后到示值穩(wěn)定之前的整個(gè)不穩(wěn)定過程中，熱電偶的瞬時(shí)示值T測與穩(wěn)定后的示值T∞存在著偏差，這時(shí)熱電偶除了有各種穩(wěn)定的誤差外，還存在有熱電偶熱惰性引入的偏差(即T測-T∞),這一偏差稱為動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差,用0T動(dòng)表示。
△T動(dòng)=T測-Ta∞=τdT測/dt
式中:τ為熱電偶的時(shí)間常數(shù)
　　為了簡化起見，以下討論時(shí)均假設(shè)沒有其它誤差因素的影響即T∞=T氣，于是τdT測/dt+T測=T氣.
　　如果被測溫度是不隨時(shí)間變化的穩(wěn)態(tài)測量，只要熱電偶插入后經(jīng)過足夠長的時(shí)間，待其示值穩(wěn)定后再進(jìn)行讀數(shù),便可避免動(dòng)態(tài)誤差的影響。
6測量系統(tǒng)漏電影響
　　絕緣不良是產(chǎn)生電流泄露的主要原因，它對熱電偶測溫的精度有很大的影響,能歪曲被測的熱電勢,使儀表顯示失真,甚至不能正常工作。漏電引起誤差是多方面的,例如熱電極絕緣瓷管的絕緣電阻較差,能使熱電流旁路,使熱電偶的端電壓下降,但這個(gè)影響是較小的。若電測設(shè)備漏電,也能使工作電流旁路,使測量產(chǎn)生誤差。
　　從以上論述幾點(diǎn)不穩(wěn)定因素,是熱電偶測量溫度中,不可不認(rèn)識(shí)的問題,隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，熱電偶在生產(chǎn)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用,對其熱電偶的使用要求越來越正確,因此了解掌握熱電偶其特性及應(yīng)用，才能準(zhǔn)確達(dá)到所需要的各種測量目的。