熱電偶溫度偏差及跳變問題的處理

摘要:熱電偶是溫度測量中常用的溫度測量元件。它直接影響測量環(huán)境的溫度。它可以將溫度控制信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，然后通過溫度測量儀器轉(zhuǎn)換成被測物體的溫度。與其他溫度測量元件相比，熱電偶具有較高的測量精度，較寬的測量范圍，快速的響應(yīng)速度，對溫度變化的靈活響應(yīng)以及高達(dá)毫秒的響應(yīng)時間。但是，在溫度測量過程中，它仍然會受到許多因素的影響，例如:測量環(huán)境溫度場，電磁干擾，安裝位置和深度，絕緣材料和保護(hù)管材料的選擇等，都可能影響最終測量效果。本文對熱電偶在實(shí)際工作溫度測量過程中的溫度偏差和跳變問題進(jìn)行了簡單分析，并提出了相應(yīng)的解決方案，為熱電偶在實(shí)際工作測量中的應(yīng)用提供參考。
一、熱電偶測溫原理
　　熱電偶根據(jù)熱電效應(yīng)來測量溫度。它是由具有不同成分的導(dǎo)體或半導(dǎo)體的兩端形成一個回路。當(dāng)兩端都存在溫度梯度時，回路中將有電流順暢流動。此時，在兩端之間存在電動勢-熱電動勢。在實(shí)際溫度測量過程中，一端斷開，另一端焊接在一起。
二、熱電偶測溫偏差及跳變產(chǎn)生的原因
　　熱電偶測量過程可能受許多因素影響，或者可能是以下因素:
(一)熱電偶檢準(zhǔn)、標(biāo)定時引入的偏差
由于熱電偶已在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了校準(zhǔn)和校準(zhǔn)，因此放置在實(shí)驗(yàn)室中的平衡時間不足以避免因值變動，校準(zhǔn)人員的技術(shù)水平以及驗(yàn)證系統(tǒng)維護(hù)不足而引起的偏差。這是原因。
(二)測量點(diǎn)的選取
　　熱電偶的位置和深度，即測量點(diǎn)的選擇非常重要。溫度測量點(diǎn)的位置應(yīng)盡可能靠近要測量的溫度點(diǎn)。溫度測量點(diǎn)應(yīng)避免強(qiáng)烈的電磁場干擾源，或者加熱設(shè)備不要太靠近。如果無法避免，則必須采取相應(yīng)的措施。
(三)測量過程中是否受到滋擾
　　測量過程中遇到的煩人問題主要是由于熱電偶內(nèi)部和外部的環(huán)境原因。內(nèi)部原因，不良的熱電偶絕緣會嚴(yán)重影響熱電偶測量。扭曲所測得的熱電勢以制造顯示設(shè)備，即使絕緣無法正常工作，扭曲也會因絕緣性能下降而引起各種偏離。例如，熱電極絕緣的瓷管的絕緣電阻較低，這會繞開熱電流并導(dǎo)致測量偏差。保護(hù)管和端子的污染會導(dǎo)致絕緣不良和接觸不良，從而影響熱電偶的響應(yīng)時間，還可能引起熱電偶干擾和溫度漂移。外部原因很容易受到變壓器，大功率電動機(jī)，變頻器等的影響。我在一次分體式空調(diào)測試時，第一次沒有測量壓縮機(jī)溫度，所有溫度點(diǎn)都正常。在第二次測量壓縮機(jī)溫度時，沒有打開壓縮機(jī)臺架，溫度點(diǎn)正常，當(dāng)打開壓縮機(jī)臺架后，很多溫度點(diǎn)產(chǎn)生了很大的波動，特別是壓縮機(jī)段測溫點(diǎn)，當(dāng)時檢查了所有熱電偶和設(shè)備，都是正常的，后來在壓縮機(jī)臺架變頻器內(nèi)增加了濾波器，果然溫度都正常了。所以測量時一定要考慮環(huán)境中是否有干擾。
(四)熱惰性引入的偏差
　　這種環(huán)境相對復(fù)雜，并且與場景中的許多因素有關(guān)。因此，選擇產(chǎn)品時必須仔細(xì)考慮所有因素。因此，請使用熱電偶線較細(xì)且保護(hù)管直徑較小的熱電偶。如果情況允許，可以卸下保護(hù)管。由于測量的延遲，由熱電偶測量的溫度波動將小于實(shí)際溫度波動。滯后測量值越大，熱電偶波動的幅度越小，實(shí)際溫差越大。當(dāng)使用熱響應(yīng)時間長的熱電偶測量或控制溫度時，設(shè)備的溫度幾乎不受波動的影響，但實(shí)際的環(huán)境溫度波動可能會很大。為了測量溫度，該當(dāng)選擇熱響應(yīng)時間小的熱電偶。使用中，通常應(yīng)采取導(dǎo)熱性能好、管壁薄、內(nèi)徑小的保護(hù)層。如果需要快速，溫度測量，可以使用裸線熱電偶，但是裸線熱電偶很容易被污染和破壞，必須實(shí)時校準(zhǔn)或更換。了解現(xiàn)場的所有關(guān)鍵點(diǎn)，了解測量要求并選擇合適的設(shè)備是現(xiàn)場操作員的責(zé)任。
(五)熱電極的玷污和腐蝕
　　熱電偶線細(xì)，軟且容易變形。如果熱電偶的塑性變形(例如不正確的彎曲或扭曲)引起熱電偶絲的變形應(yīng)力，則熱電偶的熱電技術(shù)特性會發(fā)生變形，熱電偶也會發(fā)生變形。評估研究結(jié)果可能會產(chǎn)生影響。因此，測量前必然要把熱電偶絲拉直。當(dāng)熱電偶絲被污染，乃至被氧化時，會使熱電極偶絲表面不光亮、發(fā)黑發(fā)暗。目前，用于熱電極的熱電材料的性能還不是很安全和穩(wěn)定，并且測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)還相對不正確。因此，有必要清潔被污染的電極并去除這些被污染的物體。熱電偶絲表面污染的程度越大，熱電特性改變就越大，由此偏差就越大。
(六)補(bǔ)償不當(dāng)引入的偏差
　　從熱電偶溫度測量原理可以看出，僅當(dāng)熱電偶冷端的溫度穩(wěn)定時，熱電勢才能與測得的溫度對應(yīng)1∶1。在實(shí)際使用中，熱電偶放置在現(xiàn)場設(shè)備上，其冷端暴露在空氣中，并受到環(huán)境溫度場的影響。同時，如果熱電偶的冷端接近熱端，則冷端的溫度將很困難。它很穩(wěn)定，會引起測量偏差。
(七)熱電偶接線盒內(nèi)部受污染
　　接線盒的目的是為了方便連接補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶線，以及保護(hù)熱電偶免受污染。雖然接線盒的工藝越來越先進(jìn)，但是仍然不能保證灰塵、導(dǎo)電液體等的侵入，導(dǎo)致可靠性不能保證，也會在測量過程中出現(xiàn)溫度跳變問題。
(八)響應(yīng)時間的影響
　　熱電偶電極和保護(hù)管越厚，熱電偶壁越厚，熱電偶將越惰性，這將增加熱電偶穩(wěn)定，創(chuàng)建不同材料并具有更高導(dǎo)熱率的時間。不同的是，它也會影響響應(yīng)時間。因此，正常的驗(yàn)證過程需要根據(jù)熱電偶的類型選擇適當(dāng)?shù)募訜崴俾屎蜔崞胶鈺r間。
三、對熱電偶溫度偏差及跳變問題的解決方案
(一)熱電偶檢準(zhǔn)、標(biāo)定
　　為了避免在檢查過程中引入偏差，應(yīng)嚴(yán)格遵守檢查過程中的檢查規(guī)則。檢查員必須通過評估合格，并具有項(xiàng)目相關(guān)計(jì)量部門頒發(fā)的證書。為了確保價值傳輸?shù)恼_性，必須將使用的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備發(fā)送給合法的計(jì)量檢查員或經(jīng)認(rèn)可的計(jì)量機(jī)構(gòu)，以便及時進(jìn)行驗(yàn)證。計(jì)量驗(yàn)證系統(tǒng)按計(jì)劃進(jìn)行維護(hù)。由于頻繁使用，每個通道開關(guān)的觸點(diǎn)很容易弄臟，導(dǎo)致長期使用后接觸不良并影響測量數(shù)據(jù)。因此，使用一段時間后，可以用無水酒精清潔每個通道開關(guān)的觸點(diǎn)。
(二)測溫點(diǎn)的正確選擇
　　熱電偶安置時應(yīng)盡量接近要測的溫度點(diǎn)。測量流體溫度時，熱電偶測量端應(yīng)盡量處于液體中間，并使其與被測流體方向相對。為避免產(chǎn)生熱量沿?zé)犭娕嫁D(zhuǎn)走或防止環(huán)境保護(hù)管影響被測溫度，熱電偶應(yīng)浸入所測流體技術(shù)當(dāng)中，深度發(fā)展最少為直徑的10倍。在測量固體溫度時，熱電偶應(yīng)與該物體緊密地接觸。為了使偏差值減至最小，應(yīng)保證周圍的溫度場穩(wěn)定。熱電偶應(yīng)盡量安裝在沒有震動或震動很小的地方，盡量不要安裝在拐彎處。
(三)選擇合適的保護(hù)管材料和絕緣材料
　　溫度測量除了需要快速測量外，還需要使用裸露的熱電偶以提高響應(yīng)速度，在正常使用期間需要增加保護(hù)管。保護(hù)管材料的選擇對熱電偶的穩(wěn)定性有很大影響，因此有必要根據(jù)實(shí)際使用條件選擇合適的保護(hù)管。絕緣層材料的選擇也是一個更重要的因素，因?yàn)樗彩且饻囟忍兊年P(guān)鍵因素之一。絕緣材料的選擇需要耐高溫，耐腐蝕，薄壁和耐磨性。
(四)補(bǔ)償方法的正確選擇
　　為了減小或消弭因熱電偶冷端溫度變化而發(fā)生的測量偏差，這時候就必須采取冷端補(bǔ)償措施，補(bǔ)償方法有:熱電勢修正法、補(bǔ)償導(dǎo)線法、參考端溫度補(bǔ)償法、冷端溫度補(bǔ)償器。熱電偶與冷端溫度補(bǔ)償器連接時注意極性千萬不能接錯;補(bǔ)償器必需定期檢查和檢定。
在實(shí)際使用補(bǔ)償導(dǎo)線時，要特別注意以下幾個方面:
(1)補(bǔ)償導(dǎo)線選擇相對應(yīng)型號的熱電偶，不能混用。若是用普通導(dǎo)線來取代補(bǔ)償導(dǎo)線，就起不到補(bǔ)償作用，反而會下降測溫的正確性。
(2)補(bǔ)償導(dǎo)線在與熱電偶、測量儀表連接時，必然要注意補(bǔ)償導(dǎo)線的正負(fù)極與熱電偶的正負(fù)極相連接，不然測溫偏差反而增大。
(3)使用的補(bǔ)償導(dǎo)線，在溫區(qū)內(nèi)，其熱電勢與原熱電偶要一致，確保測量的正確性。
(五)抗干擾措施
(1)選擇帶絕緣層和屏蔽層的熱電偶，采用聚氯乙烯或者聚四氟乙烯做護(hù)套，將護(hù)套緊密包在絕緣層上。可將熱電偶線絞起來，在測試設(shè)備電源上加裝濾波器或熱電偶線上加裝濾波磁環(huán)，實(shí)現(xiàn)更佳的抗干擾效果。
(2)將熱電偶的測量端或者參考端接地，被測物體也需要共同接地，選擇接地線需要選擇耐高溫且對熱電偶無害的金屬線。
(3)將熱電偶懸空放置在空氣中，以免熱電偶與任何物體發(fā)生接觸。可以很好地預(yù)防漏電或者高溫干擾。
四、結(jié)語
　　通過文中分析可知，溫度進(jìn)行測量時正確性會受諸多外界因素的影響，因此如果實(shí)際測量時不考慮其他因素，安裝時不檢查是否有干擾、安裝不當(dāng)、儀表精度不夠等，隨便選擇熱電偶分度號都將會影響測量結(jié)果的正確性。目前標(biāo)準(zhǔn)熱電偶有8種，只有全面考慮，在實(shí)際使用時根據(jù)當(dāng)時使用條件進(jìn)行有效分析選擇適當(dāng)?shù)臒犭娕迹趴梢缘玫秸_測量結(jié)果。同時，應(yīng)該繼續(xù)加強(qiáng)和研究業(yè)務(wù)，隨著越來越豐富的工作經(jīng)驗(yàn)，可以確保測量值的正確性和可靠性。簡而言之，必須總結(jié)和分析在測量過程中發(fā)生的每個問題，并應(yīng)調(diào)查問題的根源以詢問原因，以有效避免下一個熱電偶溫度偏差和跳變問題。我在實(shí)際使用過程中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)先使用鋁箔將熱電偶包裹在被測物體上，用手捏平，然后外加一層保溫棉，最后用兩根扎帶將熱電偶測溫點(diǎn)前后扎緊，能夠有效地減少或消除熱電偶溫度偏差及跳變問題的產(chǎn)生。