熱電偶測(cè)溫誤差的來源與處理

摘要:熱電偶廣泛應(yīng)用于溫度測(cè)量的各個(gè)環(huán)節(jié),然而其自身特性與生產(chǎn)環(huán)節(jié)對(duì)其測(cè)量結(jié)果有顯著的影響,可能造成測(cè)量誤差。一方面，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看,偶絲不可避免地存在應(yīng)力及品格的不均勻性。另一方面，從熱電偶的生產(chǎn)過程來看,工序和環(huán)境氛圍會(huì)直接影響熱電偶的性質(zhì)。依據(jù)這一思路,從認(rèn)識(shí)熱電偶的性能和使用方法上著手，囊括了從熱電偶本身性能到實(shí)施環(huán)境的全操作環(huán)節(jié),對(duì)測(cè)溫誤差的來源進(jìn)行了剖析,并提出了具有針對(duì)性的處理方法。目的在于通過把熱學(xué)理論與實(shí)踐操作相結(jié)合,得到縮小測(cè)量誤差的方法論，針對(duì)可能的原因進(jìn)行排查,便于構(gòu)建整個(gè)實(shí)施加復(fù)查的測(cè)量環(huán)節(jié),提升輸出結(jié)果和合格性判斷的可信性，同時(shí)提高測(cè)量水平和測(cè)量準(zhǔn)確性。
　　熱電偶作為一種常見的熱電式傳感器,在溫度測(cè)量環(huán)節(jié)中得到了廣泛的應(yīng)用。熱電偶主要的工作機(jī)理.建立在熱電效應(yīng)的基礎(chǔ).上，通過將溫度變化轉(zhuǎn)化為電勢(shì)的變化進(jìn)行測(cè)量。在實(shí)際工作中,由于熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、測(cè)量方便等優(yōu)點(diǎn)，該方法成為了測(cè)量校驗(yàn)中的重要環(huán)節(jié)。然而，由于熱電偶本身的性質(zhì)和操作環(huán)節(jié)中的潛在風(fēng)險(xiǎn)，熱電偶的測(cè)量可能存在系列誤差，直接影響到結(jié)果的輸出和合格性的判斷”。因此，探索熱電偶測(cè)量結(jié)果的影響因素,利于進(jìn)一步挖掘熱電偶測(cè)量誤差產(chǎn)生的原因，并針對(duì)可能的原因進(jìn)行排查和校準(zhǔn)，有助于完善整個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié),提升工作效率，同時(shí)提高測(cè)量水平和測(cè)量準(zhǔn)確性。
　　對(duì)熱電偶穩(wěn)定性的排查和對(duì)誤差產(chǎn)生原因的解讀,需要建立在理論的基礎(chǔ)_上,通過與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合,得到縮小誤差的方法結(jié)論'。依據(jù)這一思路,從認(rèn)識(shí)熱電偶的性能和使用方法上著手，分別從熱電偶的熱電特性、參考端的溫度,以及操作測(cè)量系統(tǒng)三個(gè)角度,探討了可能造成測(cè)量誤差的潛在因素,以及具有針對(duì)性的處理方法。
1熱電特性不穩(wěn)定的影響
　　熱電偶在使用過一段時(shí)間后，熱電特性將會(huì)明顯發(fā)生改變,主要表現(xiàn)為熱電偶的分度值隨使用時(shí)間和使用條件的不同而發(fā)生變化。當(dāng)變化顯著且超出了規(guī)定的范圍時(shí)，測(cè)出的溫度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離真實(shí)溫度,從而影響工藝過程中的溫度控制和產(chǎn)品質(zhì)量,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成產(chǎn)品不合格和加熱設(shè)備的損壞。因此,熱電偶的穩(wěn)定性和均勻性就是熱電偶熱電特件相對(duì)穩(wěn)定程度的一個(gè)重要指標(biāo)，而它的變化就是造成實(shí)際工作中測(cè)溫不準(zhǔn)確的主要因素。
1.1不均勻性的影響
　　熱電偶的“不均勻電勢(shì)”會(huì)直接影響測(cè)溫結(jié)果。熱電偶的均勻性是指熱電偶的極材料的均勻程度。熱電偶兩熱電極若是均勻的，由相關(guān)理論可知，其熱電勢(shì)與兩端點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與熱電極長度的溫度分布無關(guān)。若兩熱電極的材料不均勻，而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(shì),即“不均勻電勢(shì)”,這個(gè)不均勻電勢(shì)將會(huì)影響熱電偶回路的總.熱電勢(shì)。所以說“不均勻電勢(shì)”的存在會(huì)使熱電偶的熱電特性發(fā)生改變,從而降低了測(cè)溫的準(zhǔn)確性。
　　可以通過簡單的架構(gòu)進(jìn)行熱電偶測(cè)溫誤差的定量計(jì)算。不均勻的熱電極可以看作是微小的異質(zhì)金屬元件的集合，每段元件是由化學(xué)成分不同的均勻的金屬元件(如圖1所示)A1,A2,A3,.,Ai及B1,B2,B3,.,Bi;結(jié)合構(gòu)成的熱電偶回路。沿著各元件具有的溫度梯度,在各個(gè)金屬元件間接合點(diǎn)上的溫度分別為T1,T2,n+1。
 
　　根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極N的方法，可以求得電路中發(fā)生的全部溫差熱電勢(shì)E,即回路的總電勢(shì)E'(如式1)。假設(shè)A,B是均質(zhì)導(dǎo)體制成的熱電偶，可得其回路總電動(dòng)勢(shì)(如式2)。兩者之差即為不均勻?qū)w組成的熱電偶回路產(chǎn)生的測(cè)溫誤差(如式3)。由于熱電極材料A和A,Bi，和B很接近，它們對(duì)應(yīng)各部分的塞貝克系數(shù)SAIA和SBIB可以近似地認(rèn)為是線性的,因此測(cè)溫誤差可以進(jìn)一步化簡(如式4)。從理論推演可知，不均勻的熱電偶可能存在重大的測(cè)量誤差。而在具體工作中,所使用熱電偶的不均勻電勢(shì)引起的附加誤差更為明顯，有時(shí)高達(dá)30℃之多。這將嚴(yán)重地影響熱電偶的穩(wěn)定性和互換性,并直接影響溫度量值傳遞的一致性。
 
1.2不均勻性的產(chǎn)生原因
　　造成熱電極不均性的原因很多，主要可以分為化學(xué)成分和物理狀態(tài)兩個(gè)方面田。一方面,化學(xué)成分表現(xiàn)為:①雜質(zhì)分布不均勻和成分的偏析。此原因無法避免,而且遍及熱電極的整個(gè)長度。②熱電極表面局部的金屬揮發(fā)和氧化。③熱電極中某些元素的選擇性氧化。④測(cè)量端長期在高溫下的熱擴(kuò)散,改變了測(cè)量端附近的化學(xué)成分。⑤環(huán)境氣氛、絕緣材料和保護(hù)管材料對(duì)熱電極局部的沾污和腐蝕。另一方面，物理狀態(tài)表現(xiàn)為:①應(yīng)力分布的不均勻使熱電極沿長度出現(xiàn)的熱電特性不一致。②晶體結(jié)構(gòu)的不均勻，熱電極的晶粒大小對(duì)熱電特性也會(huì)有影響。其中較為重要的3點(diǎn)進(jìn)行著重闡述。
1.2.1玷污
　　偶絲材料往往容易受到環(huán)境氣氛或保護(hù)管雜質(zhì)的玷污,這是造成熱電偶示值不穩(wěn)定的主要因素之一。不同程度的玷污所產(chǎn)生的附加電勢(shì)也不同，這種附加.電勢(shì)將改變?cè)瓉淼姆侄忍匦浴＞唧w而言,對(duì)于鉑銠10-鉑熱電偶，在使用的陶瓷套管中含有鐵的雜質(zhì)，高溫狀態(tài)下,銠絲受鐵玷污后，其熱電特性將受到影響。而當(dāng)在含硅的偶絲在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銠絲化合成為鉑硅化合物，會(huì)造成偶絲變脆。檢定標(biāo)準(zhǔn)熱電偶所用的絕緣瓷管都要求用王水清洗，高溫烘烤井規(guī)定正負(fù)極的穿孔極性，在某種程度上可以控制這一偏誤的產(chǎn)生。但若在工作中把熱電極的極性穿錯(cuò),原來穿鉑銠孔中的鉑會(huì)向鉑極滲透而改變標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電特性，從而影響熱電偶的穩(wěn)定性。
1.2.2氧化和還原
　　偶絲氧化也是造成熱電偶不穩(wěn)定性的一大重要原因,例如,常用的鎳鉻-鎳硅、銅-康銅等熱電偶都能與氯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。同時(shí)，氧化造成的不穩(wěn)定影響還可能存在程度上的差別，這主要是由熱電極的不同性質(zhì)導(dǎo)致的。具體而言，如果熱電極被均勻氧化,那么氧化過程的影響對(duì)整體不均勻性的負(fù)面作用則相對(duì)有限。而如果熱電極具有擇優(yōu)氧化的性質(zhì)，則氧化過程將會(huì)直接影響偶絲的作用，例如，在低氧分壓中，鎳鉻電極中的鉻將產(chǎn)生擇優(yōu)氧化，偶絲的組合成分將會(huì)發(fā)生改變，直接影響到偶絲的作用。
1.2.3高溫與脆化
　　偶絲熱電極在高溫下的揮發(fā)也是造成測(cè)量誤差的一大原因。熱電偶的偶絲材料多數(shù)是合金材料，而由于各組材料的蒸氣壓不同，所以揮發(fā)的程度也不同。當(dāng)熱電極在高溫下使用一段時(shí)間，揮發(fā)程度的差異將直接導(dǎo)致合金成分比例的改變,進(jìn)一步造成熱電勢(shì)產(chǎn)生明顯變化。
　　與此同時(shí)，脆化的問題相伴而生。脆化是造成熱電偶報(bào)廢的最普通的因素。主要是由玷污、晶粒生長、氧化和長期體用于高溫下再結(jié)晶等多種因素導(dǎo)致的。換而言之，以上提到的諸多造成偶絲不均勻、不穩(wěn)定的因素，都可能直接或間接造成偶絲的脆化，影響電偶使用的生命周期。
　　總而言之，從熱電偶的生產(chǎn)過程來看,偶絲需要經(jīng)過多道縮徑拉伸,這一工序會(huì)使其表面受到玷污。物理狀態(tài)的不一致性對(duì)偶絲的塞貝克系數(shù)有影響，從而影響了熱電偶示值的穩(wěn)定性。具體到工作中,一支退火不合格或未經(jīng)退火的熱電偶被用來測(cè)溫，所造成的誤差可達(dá)十分之幾度到幾度，其準(zhǔn)確性十分存疑。這也是在實(shí)際工作中熱電偶必須退火的主要原因。退火的過程可以改善組織結(jié)構(gòu),細(xì)化品粒，提高機(jī)械性能，消除內(nèi)應(yīng)力，并可使產(chǎn)生的組織不均勻得到一-定程度.的改善。
2參考端溫度的影響
　　參考端的溫度是影響測(cè)量結(jié)果的重要因素?zé)犭娕紵犭妱?dòng)勢(shì)的大小與熱電極材料、工作端的溫度直接相關(guān)。熱電偶的分度表和對(duì)應(yīng)分度表刻度的溫度顯示儀表，都是以熱電偶參考端溫度等于0℃為條件的。換而言之，如果參考溫度不等于0℃,盡管被測(cè)溫度恒定不變,熱電勢(shì)也會(huì)隨著參考端溫度的變化而變化。
　　以上結(jié)論可以通過理論公式進(jìn)行展現(xiàn)。設(shè)定被測(cè)溫度為t,參考溫度為t,，熱電勢(shì)為EAB，其變化大小可根據(jù)熱電偶的中間溫度定律求得(式5)。該式表示，當(dāng)參考溫度tn>0℃時(shí)，熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)減少了EAB(tn，t0)，因而將使測(cè)量儀表的示值下降。
 
　　在進(jìn)行測(cè)溫時(shí),熱電偶參考端溫度的不均勻同樣也會(huì)造成明顯的測(cè)溫誤差。根據(jù)中間導(dǎo)體定律，在熱電偶回路中，只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同,那么接入中.間導(dǎo)體的過程應(yīng)當(dāng)對(duì)熱電偶回路的總電勢(shì)沒有影響。換而言之,當(dāng)中間導(dǎo)體的兩端溫度不相同時(shí),將存在引.入中間導(dǎo)體造成的誤差。
　　同樣可以通過理論推導(dǎo)說明這一問題。由式(6)~式(10)可知，由于電極B偏離T0度,使得電極B與連接導(dǎo)線C構(gòu)成新的熱電偶,其誤差熱電勢(shì)為EAB(T´0，T0)
 
　　具體而言，假設(shè)電極B為鉑極，連接導(dǎo)線C為銅導(dǎo)線,在檢定標(biāo)準(zhǔn)熱電偶時(shí)溫度相差0.1℃,誤差熱電勢(shì)將高達(dá)-0.7μV,對(duì)結(jié)果的影響十分顯著。因此，在堅(jiān)定鎳鉻-鎳硅電偶時(shí)，參考端在空氣中散熱較大。而由于電爐的熱輻射，使得參考端溫度不均勻，從而容易造成較大的測(cè)溫誤差。因此，參考端溫度不等于0℃對(duì)被測(cè)溫度的準(zhǔn)確性有十分重要的影響。在日常工作中，要使參考端溫度保特在相對(duì)準(zhǔn)確的范圍，必須采取修正或補(bǔ)償措施。
3測(cè)量系統(tǒng)的影響
3.1動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差
　　動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差是指，熱電偶的熱惰性會(huì)造成示數(shù)過程中的動(dòng)態(tài)誤差。由于熱電偶本身具有熱惰性,在熱電偶插入被測(cè)介質(zhì)后，不能立即指示出被測(cè)溫度。其示值將逐漸上升,一直到測(cè)量端吸熱并放熱達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后才出現(xiàn)穩(wěn)定的示值。因此,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)示值與穩(wěn)定后的示值顯然存在普偏誤差”。這時(shí)的結(jié)果除了有其他與穩(wěn)定性相關(guān)的誤差外，還存在由熱電偶熱惰性引入產(chǎn)生的偏差,這個(gè)誤差的存在使儀表.指示值落后于被測(cè)溫度的變化。
3.2熱電偶安裝位置的影響
　　熱電偶安裝位置不當(dāng)或插入深度不對(duì)時(shí)，都不能反映爐內(nèi)的真實(shí)溫度。通常而言，熱電偶的最小插入深度一般應(yīng)大于保護(hù)管外徑的810倍。但由于熱電偶的保護(hù)管與爐壁間的間隙未填充其他絕緣物質(zhì)，爐內(nèi)熱源溢出和爐外冷空氣進(jìn)入，會(huì)使得爐內(nèi)的溫度不恒定。當(dāng)熱電偶的參考端太靠近爐體時(shí)，參考端的溫度將會(huì)受到明顯影響，從而擴(kuò)大已有的誤差。
3.3測(cè)量系統(tǒng)漏電的影響
　　絕緣不良是產(chǎn)生電流泄漏的主要原因，也是影響熱電偶測(cè)溫精度的核心因素之一。測(cè)量系統(tǒng)漏電能歪曲被測(cè)的熱電勢(shì),使儀表顯示失真，甚至不能正常工作。具體而言，漏電引起的誤差表現(xiàn)在多個(gè)方面，其中最為主要的是高溫條件下絕緣體性能下降導(dǎo)致的高溫漏電。
　　在日常工作中,電測(cè)設(shè)備漏電也能影響工作電流旁路，使測(cè)量產(chǎn)生誤差,影響熱電勢(shì)測(cè)量漏電的原因主要來自被測(cè)系統(tǒng)的電爐。常用的加熱設(shè)備大多是阻性爐和感性爐,由于電氣加熱設(shè)備在高溫下的絕緣性能明顯降低,因而產(chǎn)生高溫漏電，形成干擾信號(hào)。熱電極絕緣瓷管的絕緣電阻較差,能使熱電流旁路、熱電偶的端電壓下降。具體而言，當(dāng)溫度升到800℃以上時(shí),其電阻率極大地降低,絕緣性能會(huì)顯著惡化。因此，高溫下絕緣問題造成的漏電，可能會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成很大的影響,需要修正措施的適當(dāng)干預(yù)。
4結(jié)束語
　　隨著工藝的發(fā)展與技術(shù)的提高,對(duì)熱電偶精度的要求也將隨之提升，控制和處理測(cè)量誤差愈發(fā)重[10]要。從理論和實(shí)踐兩個(gè)角度出發(fā)，對(duì)熱電偶自身的材料和性能，以及在日常測(cè)量操作中的環(huán)境氛圍.等方面,全面剖析了影響熱電偶測(cè)溫誤差的三方面因素。以備在實(shí)際工作中更好地預(yù)防和解決測(cè)量誤差的.問題，從而提升工作效率，確保熱電偶檢測(cè)過程的準(zhǔn)確性，真正將理論知識(shí)落實(shí)到實(shí)踐工作層面。