快速鎢錸熱電偶的測(cè)溫誤差

[摘要]文章用熱電偶誤差計(jì)算的通用方法(極限誤差表達(dá)法)，分析了構(gòu)成快速鎢錸熱電偶測(cè)溫誤差的因素，從量的角度探討了各因素對(duì)總的誤差的影響，對(duì)如何認(rèn)識(shí)快速鎢錸熱電偶的測(cè)溫精度，提出了可供參考的觀點(diǎn)。
       鋼水測(cè)溫是煉鋼過程中控制材料成份和保證冶煉質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，我國用于鋼水測(cè)溫的元件主要有兩大類:(1)鉑銠系列;(2)鎢錸系列。現(xiàn)每年全國共需鋼水測(cè)溫快速熱電偶約15000萬支。1990年以前，使用的幾乎全是快速鉑銠熱電偶，自1990年起，由于鎢錸熱電偶材料生產(chǎn)工藝的逐漸穩(wěn)定，產(chǎn)品性能的不斷提高以及產(chǎn)品數(shù)量的擴(kuò)大,快速鎢錸熱電偶在鋼水測(cè)溫中占據(jù)了--定的地位。經(jīng)過十多年的技術(shù)提升及市場(chǎng)開發(fā)，目前，已進(jìn)人穩(wěn)步發(fā)展階段，每年用量約在5000萬支以上，達(dá)到同行業(yè)快速熱電偶比例的三分之一。
       快速鎢錸熱電偶用于鋼水測(cè)溫，具有其它快速熱電偶不可比擬的特點(diǎn):(1)測(cè)成率高:由于鎢錸絲熔點(diǎn)高達(dá)3180℃以上，機(jī)械強(qiáng)度高，在2000C以下鋼液中能有效經(jīng)受鋼水沖刷，其測(cè)成率顯高于鉑銠熱電偶。通常，快速鉑銠熱電偶在鋼水中測(cè)成率為85%左右，而快速鎢錸熱電偶可達(dá)95%以上。(2)能測(cè)超高溫:在熔煉高溫合金及不銹鋼時(shí)，吹氧末期溫度可達(dá)2000℃，此時(shí)鉑銠熱電偶已無法測(cè)溫，要進(jìn)行溫度測(cè)定，鎢錸熱電偶就可發(fā)揮其潛能。(3)成本低:我國屬鉑銠貧乏國，現(xiàn)用鉑銠原料80%以，上依靠進(jìn)口，價(jià)格極不穩(wěn)定，上漲趨勢(shì)嚴(yán)重。與其相反，我國是鎢錸富有國，資源豐富，價(jià)格穩(wěn)定。每公斤相同規(guī)格熱電偶絲材，鎢錸價(jià)格為鉑銠價(jià)格的3~4%。
       快速鎢錸熱電偶與快速鉑銠熱電偶比較，有上述受到人們關(guān)注的特點(diǎn)，但是作為一-種計(jì)量器具，其量值的正確性更為人們關(guān)注。在這方面，元件制作單位及使用單位與鎢錸偶絲生產(chǎn)單位一直存在許多誤解及分歧意見，為了便于元件制作單位及使用單位能全面認(rèn)識(shí)鎢錸熱電偶在鋼水測(cè)溫方面的精度，本文就快速鎢錸熱電偶的測(cè)溫誤差進(jìn)行了系統(tǒng)分析。
1誤差分析
1.1熱電偶的精度與允許偏差
       熱電偶的精度是指熱電偶在溫度測(cè)量中所能達(dá)到的測(cè)溫正確程度，它是一一個(gè)通用的概念，能表明不同熱電偶之間的測(cè)溫性能。熱電偶的允許偏差是指某種熱電偶按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，允許偏離分度表的誤差值，它是一個(gè)專用概念,僅能表明該種熱電偶之間的相對(duì)測(cè)溫性能。由于采用的分度方法及標(biāo)準(zhǔn)器的不同以及熱電偶材料自身的特點(diǎn)，相同允差的兩種熱電偶其測(cè)量精度是不一定相同的，即允差為+0.25%t的S型熱電偶與允差為+0.25%t的鎢錸熱電偶不能視同為精度相同。
1.2快速鎢錸熱電偶絲的精度
(1)影響快速鎢錸熱電偶絲精度的因素
a.分度方法傳遞誤差;b.分度時(shí)的操作誤差;
c.偶絲不均勻性誤差;d.分度值與分度表偏差;e.短期穩(wěn)定性誤差(用作快速熱電偶時(shí)，因時(shí)間極短此項(xiàng)可忽略)
(2)誤差計(jì)算
        應(yīng)用極限誤差表達(dá)式川，各種誤差造成的總誤差為:

       對(duì)于快速鎢錸熱電偶絲，鈀絲熔化定點(diǎn)測(cè)試，傳遞誤差為±3℃[2];分度時(shí)操作誤差取兩次分度允差的一半為±0.3℃;偶絲不均勻性誤差:正極允差為±2.1℃，負(fù)極允差為土1.613.4;分度值偏差為σx,將各項(xiàng)代人(1)式得總誤差為:

       表明，對(duì)于偏差為0的快速鎢錸熱電偶絲，其測(cè)溫精度也只能達(dá)到±4℃，這是在分度點(diǎn)(1554.5℃)而言，如在內(nèi)插區(qū)間(1554.5C~1769℃),傳遞誤差為±4℃[2].，其總誤差將達(dá)到±5.79C。
設(shè)σ,在分度點(diǎn)為+2C(即+0.128%t),總誤.差為

       從(3)式和(4)可知，對(duì)于快速鎢錸熱電偶絲，在其分度點(diǎn)，允差等級(jí)提高-倍，其精度只提高±1℃，表明熱電偶的允差僅能部分影響熱電偶的精度。在工業(yè)應(yīng)用中±0.128%1允差等級(jí)與±0.25%i允差等級(jí)的快速鎢錸熱電偶絲，量值正確性并無明顯差異。
       按式(2)計(jì)算的各種允差鎢錸偶絲，所產(chǎn)生的總誤差如表1所示。
       表中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，代表目前各鎢錸熱電偶絲材生產(chǎn)單位所標(biāo)明的典型允差等級(jí)及分度條件。比較允差與總誤差的數(shù)據(jù)，可知兩者并非呈線性關(guān)系，關(guān)于這點(diǎn)下面還將作進(jìn)一步討論。

1.3快速鎢錸熱電偶的精度
(1)影響快速鎢錸熱電偶精度的因素
a.偶絲精度;b.補(bǔ)償點(diǎn)及補(bǔ)償導(dǎo)線誤差;c.二次儀表誤差;d.元件裝配誤差。
(2)誤差計(jì)算
       快速鎢錸熱電偶總誤差仍可用極限誤差表達(dá)，即:

       式中:σ1為偶絲誤差，允差為±0.25%t等級(jí)偶絲，在1554.5℃時(shí)其值為±5.69，σ2為補(bǔ)償點(diǎn)及補(bǔ)償導(dǎo)線誤差，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[3]允差分別為±4℃，σ3為二次儀表誤差，現(xiàn)用數(shù)字顯示表一般為±0.2%t,在1554.5℃時(shí)為±3.1℃，σ4為裝配誤差，一般情況較小可忽略。允差為±0.25%t偶絲制成快速鎢錸熱電偶，在1554.5℃測(cè)溫時(shí)總誤差為:

       允差為±0.128%t偶絲，在1554.5℃時(shí)誤差為±4.5℃，制成的快速熱電偶，在1554.5℃測(cè)溫時(shí)總誤差為:

       比較(6)式和(7)式進(jìn)--步說明，快速鎢錸熱電偶的精度與偶絲允差的關(guān)系。同時(shí)表明，補(bǔ)償點(diǎn)誤差是影響快速鎢錸熱電偶的重要因素。
       按式(2)及式(5)計(jì)算的各種允差的鎢錸快速熱電偶所產(chǎn)生的總誤差如表2所示。

       從表中偶絲允差與熱電偶總誤差的關(guān)系可知，盡管偶絲允差等級(jí)成倍變化，但熱電偶的總誤差變化卻較小，說明:在實(shí)際應(yīng)用中，用熱電偶絲材允差值來代表熱電偶的精度存在有較大的片面性，由此忽略了許多對(duì)精度有較大影響的其它誤差源。因此，鎢錸熱電偶的精度要從構(gòu)成該系統(tǒng)的各個(gè)因素方面進(jìn)行全面分析，才能得出客觀的正確結(jié)論。另外要說明的是表中總誤差代表的是一種極限值，即在實(shí)際測(cè)溫過程中可能達(dá)到的誤差范圍并不一定每次都達(dá)到此值。
(3)補(bǔ)償點(diǎn)誤差分析
       從前面分析可知，補(bǔ)償點(diǎn)誤差是影響快速鎢錸熱電偶的重要因素，如果不進(jìn)行選擇性選配，將嚴(yán)重降低熱電偶的精度，但根據(jù)熱電偶的中間溫度定則[5),若補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶絲選擇得當(dāng)，則補(bǔ)償點(diǎn)還能提高熱電偶絲的精度。

       圖1是快速鎢錸熱電偶測(cè)溫回路示意圖，其回路總的熱電勢(shì)為:

        式中:T為熱電偶測(cè)量端溫度，Tn為偶絲與補(bǔ)償導(dǎo)線連接點(diǎn)溫度，T0為參考點(diǎn)溫度。
       從(10)式可知，如果確切地知道鎢錸熱電偶絲在T溫度點(diǎn)及Tn溫度點(diǎn)的熱電勢(shì)值，即EAB(T,T0)和EAB(Tn，T0)，則可以調(diào)整補(bǔ)償導(dǎo)線在Tn溫度點(diǎn)的熱電勢(shì)值，即EAB(Tn，T0),使測(cè)溫回路總的熱電勢(shì)值EAB'A(T，Tn，T0)接近分度表中相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值。
        當(dāng)鎢錸熱電偶絲在T溫度點(diǎn)和Tn溫度點(diǎn)的分度值均為正偏差，且在T溫度點(diǎn)的分度值偏差大于在Tn溫度點(diǎn)的分度值偏差時(shí)，若選擇補(bǔ)償導(dǎo)線在Tn溫，度點(diǎn)的分度值為合適的負(fù)偏差，則測(cè)溫回路總的熱電勢(shì)值的偏差將減少，即提高了最終測(cè)溫精度。反之亦然。
2結(jié)論
       通過對(duì)鎢錸熱電偶絲材及構(gòu)成的快速熱電偶回路誤差計(jì)算分析，可以得出如下結(jié)論:.
(1)鎢錸熱電偶的測(cè)溫精度不能等同于熱電偶絲材分度值的允差。
(2)在一定范圍內(nèi)，熱電偶絲材允差等級(jí)的變化對(duì)實(shí)際構(gòu)成的熱電偶精度影響不大，二者變化關(guān)系呈非線性。
(3)快速鎢錸熱電偶的補(bǔ)償點(diǎn)誤差是影響測(cè)溫精度的重要因素;補(bǔ)償導(dǎo)線與偶絲選配正確，能提高最終測(cè)溫精度。