熱電偶的使用及測(cè)量

熱電偶的正確使用及測(cè)量誤差熱電偶是一種最簡(jiǎn)單、最普通的溫度傳感器。在使用時(shí)不注意，也會(huì)引起較大測(cè)量誤差。詳細(xì)探討影響測(cè)量誤差的主要因素：熱電偶插入深度、響應(yīng)時(shí)間、熱輻射及狀態(tài)、使用氣氛、絕緣電阻及熱電偶劣化等在使用中應(yīng)注意事項(xiàng)。對(duì)提高測(cè)量精度，在現(xiàn)有的測(cè)溫系統(tǒng)中，最常用的溫度傳感器一熱電偶，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，往往被誤認(rèn)為“熱電偶兩根線(xiàn)，接上就完事”，其實(shí)并非如此。熱電偶的結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但在使用中仍然會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題。例如：安裝或使用方法不當(dāng)，將會(huì)引起較大的測(cè)量誤差，其至檢定合格的熱電偶也會(huì)因操作不當(dāng)，在使用時(shí)不合格，在滲碳等還原性氣氛為了提高測(cè)量精度，減少測(cè)量誤差，延長(zhǎng)熱電偶使用壽命，要求使用者不僅應(yīng)具備儀表方面的操作技能，而且還應(yīng)具有物理、化學(xué)及材料等多方面知識(shí)。作者根據(jù)多年實(shí)踐，并參閱有關(guān)資料較詳細(xì)地介紹熱電偶的正確使用及測(cè)量誤差。2.測(cè)量誤差的主要影響因素?測(cè)溫點(diǎn)的選擇。熱電偶的安裝位置，即測(cè)溫點(diǎn)的選擇是最重要的。測(cè)溫點(diǎn)的位?插入深度。熱電偶插入被測(cè)場(chǎng)所時(shí)，沿著傳感器的長(zhǎng)度方向?qū)a(chǎn)生熱流。當(dāng)環(huán)境溫度低時(shí)就會(huì)有熱損失。致使熱電偶與被測(cè)對(duì)象的溫度不一致而產(chǎn)生測(cè)溫誤差?？傊?，由熱傳導(dǎo)而引起的誤差，與插入深度有關(guān)。而插入深度乂與保護(hù)管材質(zhì)有關(guān)。金對(duì)象是靜止或流動(dòng)等狀態(tài)有關(guān)，如流動(dòng)的液體或高速氣流溫度的測(cè)量，將不受上述限接觸法測(cè)溫的基本原理是測(cè)溫元件要與被測(cè)對(duì)象達(dá)到熱平衡。因此，在測(cè)溫時(shí)需要保持一定時(shí)間，才能使兩者達(dá)到熱平衡。而保持時(shí)間的長(zhǎng)短，同測(cè)溫元件的熱響應(yīng)對(duì)于溫度不斷變化的被測(cè)場(chǎng)所，尤其是瞬間變化過(guò)程，全過(guò)程僅1秒鐘傳感器的響應(yīng)時(shí)間在毫秒級(jí)。因此，普通的溫度傳感器不僅跟不上被測(cè)對(duì)象的溫度變化速度出現(xiàn)滯后，而且也會(huì)因達(dá)不到熱平衡而產(chǎn)生測(cè)量誤差。最好選擇響應(yīng)快的傳感器。對(duì)熱電偶而言除保護(hù)管影響外，熱電偶的測(cè)量端直徑也是其主要因素，即偶絲越細(xì)，測(cè)量端直徑越小，其熱響應(yīng)時(shí)間越短。測(cè)溫元件熱響應(yīng)誤差可通過(guò)下式確定T—時(shí)間常數(shù)ST鎧裝式熱電偶響應(yīng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可供參考［1］。為了提高檢定效率許多企業(yè)采用自鎧裝熱電偶外徑溫度變化范圍插入爐內(nèi)用于測(cè)溫的熱電偶，將被高溫物體發(fā)出的熱輻射加熱。假定爐內(nèi)氣體是透明的，而且，熱電偶與爐壁的溫差較大時(shí)，將因能量交換而產(chǎn)生測(cè)溫誤差。在單位時(shí)間內(nèi)，熱電偶同周?chē)臍怏w(溫度為T(mén)),通過(guò)對(duì)流及熱傳導(dǎo)將發(fā)生熱量因此，為了減少熱輻射誤差，應(yīng)增大熱傳導(dǎo)，并使?fàn)t壁溫度Tw,盡可能接近熱電?熱電偶安裝位置，應(yīng)盡可能避開(kāi)從固體發(fā)出的熱輻射，使其不能輻射到熱電偶在高溫下使用的熱電偶，如果被測(cè)介質(zhì)為氣態(tài)，那么保護(hù)管表面沉積的灰塵等將燒熔在表面上，使保護(hù)管的熱阻抗增大；如果被測(cè)介質(zhì)是熔體，在使用過(guò)程中將有爐渣沉積，不僅增加了熱電偶的響應(yīng)時(shí)間，而且還使指示溫度偏低。因此，除了定期檢定外，為了減少誤差，經(jīng)常抽檢也是必要的。例如，進(jìn)口銅熔煉爐，不僅安裝有連續(xù)測(cè)溫?zé)犭娕?，還配備消耗型熱電偶測(cè)溫裝置，用于及時(shí)校準(zhǔn)連續(xù)測(cè)溫用熱電偶的準(zhǔn)確o熱電行為，然而，當(dāng)熱電偶的長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，則大部分偶絲處于高溫區(qū)，如果熱電偶絲是均質(zhì)的，那么依據(jù)均質(zhì)回路定則，測(cè)量結(jié)果與長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。然而，熱電偶絲并非均將產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為寄生電勢(shì)。山寄生電勢(shì)引起的誤差稱(chēng)為不均質(zhì)誤差。在現(xiàn)有的貴金屬、廉金屬熱電偶檢定規(guī)程中，對(duì)只有在熱電偶絲材標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)熱電偶絲的不均勻性有一定要求。對(duì)廉金屬熱電偶釆用首尾檢定法求出不均勻熱電動(dòng)勢(shì)。正規(guī)熱電偶絲材生產(chǎn)廠(chǎng)，均按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，生產(chǎn)致使熱電偶產(chǎn)生加工畸變，也將失去均質(zhì)性，而且使用中熱電偶長(zhǎng)期處于高溫下也會(huì)因偶絲的劣化而引起熱電動(dòng)勢(shì)變化，例如：插入?yún)[業(yè)爐中的熱電偶，將沿偶絲長(zhǎng)度方向發(fā)生劣化，并隨溫度增高，劣化增強(qiáng)，當(dāng)劣化的部分處于具有溫度梯度的場(chǎng)所，也將產(chǎn)生寄生電動(dòng)勢(shì)疊加在總熱電動(dòng)勢(shì)中而出現(xiàn)測(cè)量誤差。作者在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)有的熱電偶經(jīng)計(jì)?量部門(mén)檢定合格的產(chǎn)品（多為廉金屬熱電偶）到現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)卻不合格。再返回到訃量部門(mén)檢定仍然合格，其中主要原因就是偶絲不均質(zhì)引起的。生產(chǎn)熱電偶的技術(shù)人員都切身體會(huì)到，熱電偶的不合格率也隨其長(zhǎng)度的增加而增加。皆是受熱電偶絲材不均質(zhì)的影響。總之，山不均質(zhì)即寄生電動(dòng)勢(shì)引起的誤差，取決于熱電偶絲自身的不均質(zhì)程度及溫度梯度的大小，對(duì)其定量極其困瓦軸集團(tuán)滲碳爐用鎧裝熱電偶，僅使用一周就不準(zhǔn)了。為探討原因，作者曾到現(xiàn)場(chǎng)考察，但未發(fā)現(xiàn)異常，只好從爐子上取下來(lái)經(jīng)計(jì)量室檢定結(jié)果合格。那么問(wèn)題何在呢？最后，根據(jù)該支熱電偶的現(xiàn)場(chǎng)安裝特點(diǎn)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，上述問(wèn)題是鎧裝熱電偶的度分布存在時(shí)，因其絕緣電阻下降，熱電偶示值出現(xiàn)異常的現(xiàn)象，稱(chēng)為分流誤差。依據(jù)均質(zhì)回路定則，用熱電偶測(cè)溫只與測(cè)量端與參考端兩端溫度有關(guān)，與中間溫度分布一個(gè)數(shù)量級(jí)，當(dāng)中間部位溫度較高時(shí)，必定有漏電流產(chǎn)生，致使在熱電偶輸出電勢(shì)中◎AZL)"V度置中間部位加熱帶位置距測(cè)量端越遠(yuǎn)，越容易產(chǎn)生分流誤差差。②外徑相同的鎧裝熱電偶，熱電偶絲越細(xì)，越容易產(chǎn)生分流誤差。高溫下鎧裝熱電偶產(chǎn)生分流誤差的現(xiàn)象，正在引起人們的重視，因此有必要了解分流誤差的影響因素，并采取適當(dāng)對(duì)策以減少或消除分流誤差的影響。），驗(yàn)結(jié)果表明：分流誤差的大小與其直徑的平方根成反比（直徑過(guò)細(xì)，不遵守此規(guī)律），此，為了減少分流誤差，應(yīng)盡可能選用粗直徑的鎧裝熱電偶。分流誤差越大。因此，應(yīng)盡可能縮短加熱帶長(zhǎng)度，并且，不要在遠(yuǎn)離測(cè)量端處加熱，以當(dāng)鎧裝熱電偶的直徑相同時(shí)，分流誤差將隨熱電偶絲的電阻增大而增加。因此，采用電阻小的熱電偶絲更好。例如：直徑相同的S型鎧裝熱高溫下氧化物的電阻率將隨溫度的升高呈指數(shù)降低，分流誤差的大小主要取決于高溫部分的絕緣性能，絕緣電阻越低,越容易產(chǎn)生分采用直徑粗的鎧裝熱電偶，增加絕緣層厚度。如果上述措施無(wú)效時(shí)，只好采用裝配式熱］：復(fù)。山于K狀態(tài)的存在，使K型熱電偶在升溫或降溫檢定結(jié)果不一致，故在廉金屬熱電不僅傳熱效果不佳，難以達(dá)到熱平衡，而Ni-Cr合金短程有序結(jié)構(gòu)變化的現(xiàn)象，不僅存在于K型，而且，在E型熱電時(shí)間有關(guān)，當(dāng)溫度分布或熱電偶位置變化時(shí)，其偏差也會(huì)發(fā)生很大變化。故難以對(duì)偏差選擇性氧化，這是Ni-Cr合金特有的晶界氧化。如用顯微鏡觀(guān)察外表面氧化層，就可以化。這種因Cr含量降低而引起的熱電勢(shì)偏低，已成為K型熱電偶在熱處理行業(yè)長(zhǎng)期使用如果采用的氣體很純，并且系統(tǒng)中不含氧，可以延長(zhǎng)熱電偶使用壽命。可是，如果熱電偶絲表面有氧化層時(shí)，仍可為Cr的選擇性氧化提供足夠的氧。因此，在非氧化性氣氛中使用時(shí)，應(yīng)采用干凈、拋光的偶絲。同時(shí)，應(yīng)盡可能避免在帶有微量氧的惰性氣體或氧分壓很低的空氣中使用。當(dāng)保護(hù)管長(zhǎng)徑比較大時(shí)（即保護(hù)管很細(xì)），由于空氣循環(huán)?正常的K型熱電偶絲，應(yīng)為銀灰色，并帶有金屬光澤，如發(fā)生選擇性氧化，則在K型偶正極通常不親磁，但氧化后帶有磁性。為了防止或減緩K型熱電偶因選擇性氧化而引起劣化，除了在材質(zhì)方面加以改善擇性氧化，也可以采用增加保護(hù)管直徑或吹氣的方法增加氧含量。?裝配式熱電偶實(shí)體化。作者開(kāi)發(fā)的專(zhuān)利產(chǎn)品一實(shí)體型滲碳爐用熱電偶，即開(kāi)發(fā)熱電偶的穩(wěn)定性，因使用溫度，氣氛不同各異，對(duì)同一種傳感器，如K型熱電偶的最高使用溫度也因直徑不同而變化，直徑相同的K型熱電偶也因結(jié)構(gòu)的不同，其穩(wěn)對(duì)于裝配式熱電偶而言，氣氛的影響，首先取決于保護(hù)管材質(zhì)及熱電偶結(jié)構(gòu)，因此，熟悉、掌握各種保護(hù)管材料的物理、化學(xué)性能是很必要的。例如：在粉末然而，鉗管在氧化性氣氛下，很短時(shí)間就因氧化而蝕損。其次，應(yīng)根據(jù)使用氣氛，選H2還原，短時(shí)間無(wú)影響，如果長(zhǎng)時(shí)間暴露在H2中對(duì)于鎧裝熱電偶，氫的原子半徑很小，容易透過(guò)外套進(jìn)入其內(nèi)部，同樣也將加速熱電偶用絕緣物，在高溫下，其絕緣電阻隨溫度升高而急驟降低，因此，將有漏電流產(chǎn)生，該電流通過(guò)絕緣電阻已經(jīng)下降的絕緣物流入儀表，使儀表指示不穩(wěn)或產(chǎn)生偶經(jīng)使用后，出現(xiàn)老化變質(zhì)的現(xiàn)象。由金屬或合金構(gòu)成的熱電偶，在高溫下其內(nèi)部晶圉環(huán)境中的還原或氧化性氣體也要發(fā)生反應(yīng)。伴隨上述變化，熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)也將極其墩感的發(fā)生變化。因此熱電偶的劣化現(xiàn)象是不可避免的。熱電偶的劣化是一個(gè)量變過(guò)程，對(duì)其定量很困難，將隨熱電偶的種類(lèi)、直徑、使用溫度、氣氛、時(shí)間的不同而變化。熱電偶的使用壽命是指熱電偶劣化發(fā)展到超過(guò)允熱電動(dòng)勢(shì)的變化。但是，尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)使用壽命有規(guī)定。日本有關(guān)熱電偶使用壽命的要在實(shí)際使用時(shí)，裝配式熱電偶通常有保護(hù)管，只有在特殊情況下才裸絲使用。因此，在多數(shù)場(chǎng)合下，保護(hù)管的壽命決定了熱電偶?jí)勖?duì)熱電偶的實(shí)際使用壽命的判斷，必須是通過(guò)長(zhǎng)期收集、積累實(shí)際使用狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，才有可能給出較準(zhǔn)確的結(jié)果山于鎧裝熱電偶有套管保護(hù)與外界環(huán)境隔絕，因此套管材質(zhì)對(duì)鎧裝熱電偶的壽命影響很大，必須根據(jù)用途選擇熱電偶絲及金屬套管。當(dāng)材質(zhì)選定后，其壽命乂隨著鎧裝熱電偶直徑的增大而增加。鎧裝熱電偶同裝配式熱電偶相比，雖有許多優(yōu)點(diǎn)，但也偶適合于弱氧化和還原氣