工業(yè)熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，通過電氣儀表(二次儀表)轉(zhuǎn)換顯示成被測介質(zhì)的溫度。工業(yè)熱電偶在測量中，會(huì)出現(xiàn)哪些誤差?如何解決呢？
一、工業(yè)熱電偶不穩(wěn)定性的影響
不穩(wěn)定性就是指工業(yè)熱電偶的分度值隨使用時(shí)間和使用條件的不同而起的變化。在大多數(shù)情況下，它可能是不準(zhǔn)確性的主要原因。影響不穩(wěn)定性的因素有：玷污，熱電極在高溫下?lián)]發(fā)，氧化和還原，脆化，輻射等。若分度值的變化相對(duì)地講是緩慢而又均勻的，這時(shí)經(jīng)常進(jìn)行監(jiān)督性校驗(yàn)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。
二、工業(yè)熱電偶熱電特性不穩(wěn)定的影響
工業(yè)熱電偶在生產(chǎn)過程中，偶絲經(jīng)過多道縮徑拉伸在其表面總是受玷污的，同時(shí)，從偶絲的內(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。因淬火或冷加工引入的應(yīng)力，可以通過退火的方法來基本消除，退火不合格所造成的誤差，可達(dá)十分之幾度到幾度。它與待測溫度及工業(yè)熱電偶電極上的溫度梯度大小有關(guān)。廉金屬工業(yè)熱電偶的偶絲通常以“退火”狀態(tài)交付使用，如果需要對(duì)高溫用廉金屬工業(yè)熱電偶進(jìn)行退火，那么退火溫度應(yīng)高于其使用溫度上限，插入深度也應(yīng)大于實(shí)際使用的深度。貴金屬工業(yè)熱電偶則必須認(rèn)真清洗(酸洗和四硼酸鈉清洗)和退火，以清除熱電偶的玷污與應(yīng)力。
三、不均勻性的影響
一般來說工業(yè)熱電偶若是由均質(zhì)導(dǎo)體制成的，則其熱電勢(shì)只與兩端的溫度有關(guān)，若熱電極材料不是均勻的，且熱電極又處于溫度梯度場中，則工業(yè)熱電偶會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加熱電勢(shì)，即“不均勻電勢(shì)”。其大小取決于沿?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。造成熱電極不均勻的主要原因有：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氧化，測量端在高溫一的熱擴(kuò)散，以及工業(yè)熱電偶在有害氣氛中受到玷污和腐蝕等。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)使用中，有時(shí)不均勻電勢(shì)引起的附加誤差竟達(dá)30℃這多，這將嚴(yán)重地影響工業(yè)熱電偶的穩(wěn)定性和互換性，其主要解決方式就是對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，只使用在誤差允許范圍內(nèi)的工業(yè)熱電偶。
四、傳熱及工業(yè)熱電偶安裝的影響
由于工業(yè)熱電偶測溫是屬于接觸式測量，當(dāng)工業(yè)熱電偶插入被測介質(zhì)時(shí)，它要從被測介質(zhì)吸收熱量使自身溫度升高，同時(shí)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，當(dāng)測量端各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)工業(yè)熱電偶達(dá)到了穩(wěn)定的示值，但并不代表氣流的真實(shí)溫度，因?yàn)闇y量端環(huán)境散失的熱量是由氣流的加熱來補(bǔ)償，也就是說測量端與氣流的熱交換處于不平衡狀態(tài)，因此，它們的溫度也不可能具有相同的數(shù)值。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。
五、熱輻射誤差
熱輻射誤差產(chǎn)生的原因是工業(yè)熱電偶測量端與環(huán)境的輻射熱交換所引起的，這是工業(yè)熱電偶與氣流之間的對(duì)流換熱不能達(dá)到熱平衡的結(jié)果。減少輻射誤差的辦法，一是加劇對(duì)流換熱，二是削弱輻射換熱。
解決方法有：
1、盡量減少器壁與測量端的溫差，即在管壁鋪設(shè)絕熱層;
2、在工業(yè)熱電偶工作端加屏蔽罩;增大流體放熱系數(shù)，即增加流速，加強(qiáng)擾動(dòng)，減小偶絲直徑或使熱電極與氣流形成跨流等。
六、導(dǎo)熱誤差
在測量高溫氣流的溫度時(shí)，由于沿工業(yè)熱電偶長度存在溫度梯度，故測量端必然會(huì)沿?zé)犭姌O導(dǎo)熱，使得指示溫度偏離實(shí)際溫度。導(dǎo)熱量相差越多，相應(yīng)的誤差就越大，因此凡能加劇對(duì)流和削弱導(dǎo)熱的因素都可以用來減少導(dǎo)熱誤差。
解決方法有：
1、增加L/d：將熱電偶垂直安裝改成斜裝或彎頭處安裝，安裝時(shí)應(yīng)注意使工業(yè)熱電偶的端對(duì)著氣流方向，并處在流速最大的位置上;
2、選用工業(yè)熱電偶和支桿導(dǎo)熱系數(shù)較小的材料。
七、動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差
工業(yè)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，只有當(dāng)測量端吸、放熱達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后才達(dá)到穩(wěn)定的示值。在工業(yè)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，工業(yè)熱電偶的瞬時(shí)示值與穩(wěn)定后的示值存在著偏差，這時(shí)工業(yè)熱電偶除了有各種穩(wěn)定的誤差外，還存在由工業(yè)熱電偶熱惰性引入的偏差，即動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差。
解決這類誤差的方法：
1、確定動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差，予以修正;
2、將動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差減少到允許要求的范圍之內(nèi)，此時(shí)可認(rèn)為T測=T氣。
八、短程有序結(jié)構(gòu)變化(K狀態(tài))的影響
K型工業(yè)熱電偶在250-600℃范圍內(nèi)使用時(shí)，由于其顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成短程有序結(jié)構(gòu)，因此將影響熱電勢(shì)值而產(chǎn)生誤差，這就是所謂的K狀態(tài)。這是Ni-Cr合金特有的晶格變化，當(dāng)WCr在5%-30%范圍內(nèi)存在著原子晶格從有序至無序?yàn)?。由些引起的誤差，因Cr含量及溫度的不同而變化。一般在800℃以上短時(shí)間熱處理，其熱電特性即可恢復(fù)。由于K狀態(tài)的存在，使K型工業(yè)熱電偶檢定規(guī)程中明文規(guī)定檢定順序：由低溫向高溫逐點(diǎn)升溫檢定。而且在400℃檢定點(diǎn)，不僅傳熱效果不佳，難以達(dá)到熱平衡，而且，又恰好處于K狀態(tài)誤差最大范圍。因此，對(duì)該點(diǎn)判定合格與否時(shí)應(yīng)很慎重。Ni-Cr合金短程有序結(jié)構(gòu)變化現(xiàn)象，不僅存在于K型，而且，在E型工業(yè)熱電偶正極中也有此現(xiàn)象。但是，作為變化量E型工業(yè)熱電偶僅為K型的2/3?？傊琄狀態(tài)與溫度、時(shí)間有關(guān)，當(dāng)溫度分布或工業(yè)熱電偶位置變化時(shí)，其偏差也會(huì)發(fā)生很大變化。故難以對(duì)偏差大小作出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。
九、測量系統(tǒng)漏電影響
絕緣不良是產(chǎn)生電流泄漏的主要原因，它對(duì)工業(yè)熱電偶的準(zhǔn)確度有很大的影響，能歪曲被測的熱電勢(shì)，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，使得熱電流旁路。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。由于測量熱電勢(shì)的電位差計(jì)都是低電阻的，因此它對(duì)絕緣電阻的要求并不高，影響熱電勢(shì)測量的漏電主要是來處被測系統(tǒng)的高溫，因?yàn)楣I(yè)熱電偶保護(hù)管和熱電極的絕緣材料的絕緣電阻將隨著溫度升高而下降，我們通常所說的鎧裝工業(yè)熱電偶的“分流誤差”就屬這類情況。一般是采用接地或其它屏蔽方法。對(duì)鎧裝工業(yè)熱電偶的分流誤差我們通常是以增大其直徑;增加絕緣層厚度;縮短加熱帶長度;降低工業(yè)熱電偶的電阻值等方法來降低誤差的。
十、熱電勢(shì)補(bǔ)正法
由中間溫度定律可知，參考端溫度為tn時(shí)的熱電勢(shì)EAB(t,tn)=EAB(t,t0)-EAB(tn,t0)。所以，用常溫下的溫度傳感器，只要測出參比端的溫度tn，然后從對(duì)應(yīng)電偶的分度表中查出對(duì)應(yīng)溫度下的熱電勢(shì)E(tn,t0)，再將這個(gè)熱電勢(shì)與所實(shí)測的E(t,tn)代數(shù)相加，得出的結(jié)果就是工業(yè)熱電偶參比端溫度為0度時(shí)，對(duì)應(yīng)于測量端的溫度為t時(shí)的熱電勢(shì)E(t,t0)最后再從分度表中查得對(duì)應(yīng)于E(t,0)的溫度，這個(gè)溫度就是工業(yè)熱電偶測量端的實(shí)際溫度t。在計(jì)算機(jī)應(yīng)用日益廣泛的今天，可以利用軟件處理方法，特別是在多點(diǎn)測量系統(tǒng)或高溫測控中，采用這種方法，可很好的解決參比端溫度的變化問題，只要隨時(shí)準(zhǔn)確的測出tn，就可以準(zhǔn)確得到測量端溫度。同時(shí)還充分應(yīng)用了對(duì)應(yīng)熱電偶的分度表，并對(duì)非線性誤差得到了校正，而且適應(yīng)各種工業(yè)熱電偶。
一、使用熱電偶的優(yōu)點(diǎn)：
1、溫度范圍廣：從低溫到噴氣引擎廢氣，熱電偶適用于大多數(shù)實(shí)際的溫度范圍。熱電偶測量溫度范圍在–200°C至+2500°C之間,具體取決于所使用的金屬線。
2、堅(jiān)固耐用：熱電偶屬于耐用器件，抗沖擊振動(dòng)性好，適合于危險(xiǎn)惡劣的環(huán)境。
3、響應(yīng)快：因?yàn)樗鼈凅w積小，熱容量低，熱電偶對(duì)溫度變化響應(yīng)快，尤其在感應(yīng)接合點(diǎn)裸露時(shí)。它們可在數(shù)百毫秒內(nèi)對(duì)溫度變化作出響應(yīng)。
4、無自發(fā)熱：由于熱電偶不需要激勵(lì)電源，因此不易自發(fā)熱，其本身是安全的。
二、使用熱電偶的缺點(diǎn)：
1、信號(hào)調(diào)理復(fù)雜：將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成可用的溫度讀數(shù)必需進(jìn)行大量的信號(hào)調(diào)理。一直以來，信號(hào)調(diào)理耗費(fèi)大量設(shè)計(jì)時(shí)間，處理不當(dāng)就會(huì)引入誤差，導(dǎo)致精度降低。
2、精度低：除了由于金屬特性導(dǎo)致的熱電偶內(nèi)部固有不精確性外，熱電偶測量精度只能達(dá)到參考接合點(diǎn)溫度的測量精度，一般在1°C至2°C內(nèi)。
3、易受腐蝕：因?yàn)闊犭娕加蓛煞N不同的金屬所組成，在一些工況下，隨時(shí)間而腐蝕可能會(huì)降低精度。因此，它們可能需要保護(hù)；且保養(yǎng)維護(hù)必不可少。
4、抗噪性差：當(dāng)測量毫伏級(jí)信號(hào)變化時(shí)，雜散電場和磁場產(chǎn)生的噪聲可能會(huì)引起問題。絞合的熱電偶線對(duì)可能大幅降低磁場耦合。使用屏蔽電纜或在金屬導(dǎo)管內(nèi)走線和防護(hù)可降低電場耦合。測量器件應(yīng)當(dāng)提供硬件或軟件方式的信號(hào)過濾，有力抑制工頻頻率（50Hz/60Hz）及其諧波。
正確使用熱電偶不但可以準(zhǔn)確得到溫度的數(shù)值，保證產(chǎn)品合格，而且還可節(jié)省熱電偶的材料消耗，既節(jié)省資金又能保證產(chǎn)品質(zhì)量。安裝不正確，熱導(dǎo)率和時(shí)間滯后等誤差，它們是熱電偶在使用中的主要誤差。
1、安裝不當(dāng)引入的誤差
如熱電偶安裝的位置及插入深度不能反映爐膛的真實(shí)溫度等，換句話說，熱電偶不應(yīng)裝在太靠近門和加熱的地方，插入的深度至少應(yīng)為保護(hù)管直徑的8～10倍；熱電偶的保護(hù)套管與壁間的間隔未填絕熱物質(zhì)致使?fàn)t內(nèi)熱溢出或冷空氣侵入，因此熱電偶保護(hù)管和爐壁孔之間的空隙應(yīng)用耐火泥或石棉繩等絕熱物質(zhì)堵塞以免冷熱空氣對(duì)流而影響測溫的準(zhǔn)確性；熱電偶冷端太靠近爐體使溫度超過100℃；熱電偶的安裝應(yīng)盡可能避開強(qiáng)磁場和強(qiáng)電場，所以不應(yīng)把熱電偶和動(dòng)力電纜線裝在同一根導(dǎo)管內(nèi)以免引入干擾造成誤差；熱電偶不能安裝在被測介質(zhì)很少流動(dòng)的區(qū)域內(nèi)，當(dāng)用熱電偶測量管內(nèi)氣體溫度時(shí)，必須使熱電偶逆著流速方向安裝，而且充分與氣體接觸。
2、絕緣變差而引入的誤差
如熱電偶絕緣了，保護(hù)管和拉線板污垢或鹽渣過多致使熱電偶極間與爐壁間絕緣不良，在高溫下更為嚴(yán)重，這不僅會(huì)引起熱電勢(shì)的損耗而且還會(huì)引入干擾，由此引起的誤差有時(shí)可達(dá)上。
3、熱惰性引入的誤差
由于熱電偶的熱惰性使儀表的指示值落后于被測溫度的變化，在進(jìn)行快速測量時(shí)這種影響尤為突出。所以應(yīng)盡可能采用熱電極較細(xì)、保護(hù)管直徑較小的熱電偶。測溫環(huán)境許可時(shí)，甚至可將保護(hù)管取去。由于存在測量滯后，用熱電偶檢測出的溫度波動(dòng)的振幅較爐溫波動(dòng)的振幅小。測量滯后越大，熱電偶波動(dòng)的振幅就越小，與實(shí)際爐溫的差別也就越大。當(dāng)用時(shí)間常數(shù)大的熱電偶測溫或控溫時(shí)，儀表顯示的溫度雖然波動(dòng)很小，但實(shí)際爐溫的波動(dòng)可能很大。為了準(zhǔn)確的測量溫度，應(yīng)當(dāng)選擇時(shí)間常數(shù)小的熱電偶。時(shí)間常數(shù)與傳熱系數(shù)成反比，與熱電偶熱端的直徑、材料的密度及比熱成正比，如要減小時(shí)間常數(shù)，除增加傳熱系數(shù)以外，較為有效的辦法是盡量減小熱端的尺寸。使用中，通常采用導(dǎo)熱性能好的材料，管壁薄、內(nèi)徑小的保護(hù)套管。在較精密的溫度測量中，使用無保護(hù)套管的裸絲熱電偶，但熱電偶容易損壞，應(yīng)及時(shí)校正及更換。
4、熱阻誤差
高溫時(shí)，如保護(hù)管上有一層煤灰，塵埃附在上面，則熱阻增加，阻礙熱的傳導(dǎo)，這時(shí)溫度示值比被測溫度的真值低。因此，應(yīng)保持熱電偶保護(hù)管外部的清潔，以減小誤差。
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