熱電偶測溫誤差分析及解決辦法

熱電偶測溫誤差分析和解決方法點擊次數(shù): 268發(fā)表時間: 2014-8-3

摘要:現(xiàn)代化生產(chǎn)裝置通常采用熱電偶或熱電阻測量溫度，與熱電阻相比，熱電偶具有熱敏元件測量溫度范圍寬、能在- 270℃~ 2800℃的寬溫度范圍內(nèi)測量、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠、結(jié)構(gòu)簡單、熱慣性小、動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點。 因此，工業(yè)生產(chǎn)中廣泛采用熱電偶測量溫度。 熱電偶具有以上優(yōu)點，但在使用過程中會受多種因素的影響而產(chǎn)生測量誤差。 熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的接觸式測溫元件。 熟悉其工作原理，掌握和分析測溫誤差的原因，大大提高了溫度測量的準(zhǔn)確性。 避免生產(chǎn)中不必要的損失。 本文結(jié)合生產(chǎn)裝置的一個溫度測量電路介紹，分析測量誤差的原因，提出解決方法，供參考。

另一方面，熱電偶測溫的基本原理是將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體a和b連接起來，構(gòu)成一個閉合電路，構(gòu)成熱電偶。 如圖1所示。 溫度t端為測量端，溫度t0端為測量端，儀表端稱為基準(zhǔn)端或冷端。當(dāng)導(dǎo)體a和b的兩個執(zhí)著點t和t0之間存在溫度差時，在電路中產(chǎn)生電動勢EAB(t，t0)，電流流過電路的現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。 這個電動勢被稱為熱電勢，熱電偶利用這個效果發(fā)揮作用。 熱電勢的大小與t和t0之差的大小有關(guān)，在已知熱電偶的兩個熱電電極材料的情況下，根據(jù)熱電偶電路的熱電勢的分布理論，熱電偶兩端的熱電勢與EAB(t，t0)=EAB(t)-EAB(t0)式中的EAB(t， t0)-熱電偶的熱電勢EAB(t)-溫度為t時的動作端的熱電勢EAB(t0)-溫度為t0時的冷端的熱電勢。 由上式可知！ 當(dāng)工作目的地的被測定介質(zhì)的溫度變化時，熱電電勢變化，因此測定EAB(t，t0)，如果知道EAB(t0)，則得到EAB(t )，如果向顯示計發(fā)送熱電電勢進(jìn)行指示或記錄，或者向微機(jī)發(fā)送進(jìn)行處理，則能夠得到測定目的地溫度t的值。

二、使用誤差分析

1 .絕緣變差導(dǎo)入的誤差熱電偶使用一段時間后，保護(hù)管和配線板的污垢和鹽渣過多，熱電偶極間和爐壁間的絕緣變差，在高溫下變得更加嚴(yán)重，不僅會引起熱電勢的損失，還會導(dǎo)入噪聲，由此引起的誤差可能達(dá)到百度。 2 .導(dǎo)入了熱失活的誤差熱電偶的測溫過程實際上是熱電偶和被測定介質(zhì)之間的熱交換過程，需要一定的時間達(dá)到熱平衡，由于熱電偶的熱失活導(dǎo)致儀表的指示值滯后于被測定溫度的變化，因此在進(jìn)行快速測定時該影響特別顯著。 盡量采用熱電極細(xì)、保護(hù)管直徑小的熱電偶。 如果允許測溫環(huán)境，也可以拆下保護(hù)管。 由于存在測量延遲，熱電偶檢測出的溫度變動的振幅比爐溫變動的振幅小。 測量滯后越大，熱電偶的波動振幅越小，與實際爐溫的差也越大。 用時間常數(shù)大的熱電偶測溫或控制溫度時，儀表顯示的溫度變動小，但實際爐子的溫度變動可能大。 為了準(zhǔn)確測量溫度，請選擇時間常數(shù)小的熱電偶。 時間常數(shù)與傳熱系數(shù)成反比，與熱電偶的熱端直徑、材料密度和比熱成正比，為了減小時間常數(shù)，除了增加傳熱系數(shù)以外，zui盡量減小熱端的尺寸是有效的。 使用中，通常采用熱傳導(dǎo)性好的材料，管壁薄，內(nèi)徑小的保護(hù)套，如高靈敏度的護(hù)套熱電偶，采用變徑技術(shù)的小惰性熱電偶產(chǎn)品。 在較精密的溫度測量中，使用的是沒有保護(hù)套的裸線熱電偶，但熱電偶容易破損，請立即進(jìn)行校正更換。 3 .有熱阻誤差的高溫爐使用煤和焦油作為燃料，時間一長保護(hù)管上就會堆積煤灰，如果焦炭附著灰塵，熱阻就會增加，阻礙熱的傳導(dǎo)。 這種情況下，溫度顯示值比被測定溫度的真實值低。 因此，應(yīng)保持熱電偶保護(hù)管的外部清潔。 三、熱電偶測溫計的測量誤差主要有以下幾種情況。 由于熱電偶的材料成分不能嚴(yán)格滿足要求的再現(xiàn)和均勻性等原因，熱電偶的分度誤差使熱電偶的熱電特性中實際的喜歡電位與標(biāo)準(zhǔn)分度略有不同。 2 .由于補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶的熱電特性不完全相同而產(chǎn)生的誤差各種熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的允許誤差范圍如下:白金熱電偶<； O.03℃鎳柵-鎳硅熱電偶<； O.15℃鎳鉻-銅熱電偶<； 0.15℃ 3 .冷端溫度變化引起的誤差冷端灰度補(bǔ)償使用補(bǔ)償橋時，熱電偶的電位特性和產(chǎn)生補(bǔ)償橋的電位僅在設(shè)計點的20℃或50℃完全補(bǔ)償，其他溫度在熱電偶特性的非線性上不完全一致，因此產(chǎn)生一定的誤差。 其他方法的冷端補(bǔ)償是由于測量儀器或其他原因造成誤差4 .熱電極的變質(zhì)，例如應(yīng)力分布、氧化等，出廠后熱電偶的性能發(fā)生變化而產(chǎn)生的誤差。 5 .使用絕緣不良引起的誤差熱電偶時，請注意兩熱電偶的電極間以及地線間的絕緣。 否則，電位下降會影響測量精度。

三、解決辦法1 .熱電偶的基本誤差:誤差是熱電偶本身固有的，也包括上述極標(biāo)準(zhǔn)的傳遞誤差。 解決方法:通過檢定檢查的方法將溫度控制在允許偏差范圍內(nèi)，或通過實際測溫修正熱電偶的偏差，可以得到真正的溫度。 熱電偶材料不均勻性引起的誤差:該誤差與材料不均勻性相關(guān)的溫度變化越大，熱電偶各點的溫度差越大，材料不均勻性的影響也越大。 解決方法:用退火的方法可以削弱，但不能完全消除。 2 .測量儀表誤差:該誤差的大小由儀表的精度等級決定。 解決方法:定期檢定，保證儀表等級。 3 .動態(tài)誤差:溫度變化后，測溫計不能立即指出變化的溫度，引起讀取誤差。 熱電偶時間常數(shù)的大小是決定動態(tài)誤差大小的主要因素。 解決方法:對于快速變化的溫度，由于測溫元件的熱浸潤性，動態(tài)誤差可能會變大，因此應(yīng)采用小的慣性熱電偶，或者選擇采樣率高的儀表進(jìn)行解決。 用熱傳導(dǎo)性好的材料做保護(hù)管，管壁薄，內(nèi)徑小。 減小保護(hù)管和熱電偶測量端之間的氣隙。 增加測量端介質(zhì)的流速，加速對流傳熱。 4 .絕緣不良引起的誤差:使用熱電偶時若兩熱電極間及大地之間沒有良好的絕緣，則有熱電勢損失，直接影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，嚴(yán)重時會影響儀表的正常運行。 解決方法:將熱電偶的導(dǎo)線與鐵管連接，將鐵管接地。 由于熱電偶懸浮在空中，所以熱電偶不與爐壁的耐火磚接觸。 將基準(zhǔn)端接地，經(jīng)由電容足夠大的電容器將該基準(zhǔn)端接地到熱電偶(或補(bǔ)償導(dǎo)線)的輸出端的一端。 屏蔽時，通過金屬屏蔽將泄漏的電流直接接地，防止流入測量電路，可消除干擾誤差。 5 .熱交換引起的誤差。 熱電偶測溫時，存在復(fù)雜的換熱過程。 由于溫度反復(fù)傳遞，因而測定端的溫度與被測定介質(zhì)的溫度不完全一致，因而產(chǎn)生測定誤差。 克服方法有確定和修正傳遞誤差大小的方法。 二是采取措施將傳熱誤差減少到允許范圍內(nèi)。 6 .輻射誤差的解決方法:在管壁外敷設(shè)隔熱層，減小管壁與被測介質(zhì)的溫度差。 減小保護(hù)管的外徑以及保護(hù)管、熱電極的黑度(輻射)系數(shù)。 在熱電偶管壁之間安裝防輻射罩，減少之間的直接輻射。 增加被測定介質(zhì)在熱電偶測定端流動的流速，增加對流傳熱。 7 .不正確安裝誤差:熱電偶安裝是否合理，對測量結(jié)果有重要影響。 解決方法:熱電偶實際上處于能代表被測介質(zhì)溫度的地方。 熱電偶需要足夠的插入深度，一般為熱電偶保護(hù)管外徑的8~10倍以上。 防止熱損失。 保護(hù)管露出外部應(yīng)盡量短，加保溫層。 被測介質(zhì)有負(fù)壓時，熱電偶的安裝必須嚴(yán)格密封，以免外部空氣影響測量的準(zhǔn)確性。 請盡量避免熱源、強(qiáng)磁場、電場的干擾。 8 .現(xiàn)場使用引入的測量誤差。 如果基準(zhǔn)端溫度過高，則導(dǎo)入的測定誤差基準(zhǔn)端溫度過高，測定誤差分析補(bǔ)償導(dǎo)線處于(0~100)℃的范圍內(nèi)，因此補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電特性與熱電偶的熱電特性相同。 超過該溫度范圍時，補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶的熱電特性大不相同，因此會產(chǎn)生測量誤差。 解決方法:熱電偶保護(hù)管與爐壁之間的間隙用絕熱物堵塞，避免爐溫的熱輻射，將基準(zhǔn)端保持在100℃以內(nèi)。 9 .將導(dǎo)線和熱電偶相反導(dǎo)入的測量誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臒犭娕己脱a(bǔ)償導(dǎo)線的極性相反，測量誤差分析的補(bǔ)償導(dǎo)線有正和負(fù)的區(qū)別，相反沒有補(bǔ)償作用，產(chǎn)生更大的誤差。 根據(jù)中間溫度法則，如圖所示正確設(shè)計的熱電勢e總是e總=E(T，TA)+E(TA，t0) 1100000006 t0) 00000653解決方法:正確連接補(bǔ)償導(dǎo)線。 9導(dǎo)線與熱電偶的形式不一致時，補(bǔ)償導(dǎo)入的測量誤差的補(bǔ)償導(dǎo)線和導(dǎo)入了熱電偶形式不一致的測量誤差分析補(bǔ)償導(dǎo)線，在基準(zhǔn)端溫度和﹙0~100﹚℃的范圍內(nèi)，與配電的熱電偶的熱電特性相同。 000000000006 e1( t，ta)=e '總-E2(TA，T0)如果補(bǔ)償導(dǎo)線不符合熱電偶形式，則會導(dǎo)致較大的測量誤差。 解決方法:使用與熱電偶的熱電特性相同的補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行連接。 10 .不使用補(bǔ)償導(dǎo)線導(dǎo)入的測量誤差不使用補(bǔ)償導(dǎo)線導(dǎo)入的溫度測量誤差分析:根據(jù)均質(zhì)導(dǎo)體和中間溫度的規(guī)律。 這是因為與(與性質(zhì)導(dǎo)體接觸而不產(chǎn)生熱電勢)的圖式不像E(T，T0)=E(T，TA)+E(TA，T0)那樣補(bǔ)償引線熱電勢E(T，TA)=E(TA，TO )。 e '總= E(T，T0) E (T，T0)=E(TA，TO )解決方法:用同形式的補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接。 四、結(jié)束語熱電偶測溫誤差除了上述原因以外，其他因素也影響測定，例如補(bǔ)償引線的極性的影響，顯示基準(zhǔn)端溫度的影響，顯示儀表和DCS自身的影響等，從維護(hù)的觀點出發(fā)，只要介質(zhì)溫度不太高，就必須盡量使用熱阻來測定溫度，熱阻與引線 因此，設(shè)計時測溫元件的選擇也很重要。 也就是說，無論采用什么樣的測溫元件，正確把握熱電偶的測溫原理，正確分析誤差產(chǎn)生的原因，對于儀表維護(hù)人員來說都是不可或缺的。

本文熱電偶高頻詞： 測量  誤差 

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