影響熱電偶測(cè)量誤差的主要因素是什么

溫度測(cè)溫系統(tǒng)中常用于zui的溫度傳感器熱電偶，但現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)為熱電偶的2根線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如果熱電偶在使用前未進(jìn)行測(cè)試或正確使用，在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種問(wèn)題。 例如，安裝和不適當(dāng)?shù)氖褂脮?huì)引起較大的測(cè)量誤差，檢定合格的熱電偶也不適當(dāng)，使用時(shí)不合格，在滲碳等還原性氣氛中，不注意的話，k型熱電偶也會(huì)因選擇氧化而極端惡化。 為了提高測(cè)量精度，減少測(cè)量誤差，延長(zhǎng)熱電偶的壽命，使用者不僅要求具備儀表面的操作技能，還要求具備物理、化學(xué)、材料等多方面的知識(shí)。 熱電偶在溫度測(cè)量中承擔(dān)著不可或缺的作用，作為影響測(cè)量誤差的主要原因，1、插入深度的影響(1)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zui很重要的。 測(cè)溫點(diǎn)的位置在生產(chǎn)過(guò)程中必須是典型的、非典型的，否則會(huì)喪失測(cè)量和控制的意義。 (2)插入深度熱電偶插入被測(cè)量場(chǎng)所后，沿傳感器的長(zhǎng)度方向產(chǎn)生熱流。 環(huán)境溫度低的話會(huì)有熱損失。 熱電偶與被測(cè)量對(duì)象的溫度不一致，產(chǎn)生測(cè)溫誤差。 也就是說(shuō)，熱傳導(dǎo)引起的誤差與插入深度有關(guān)。 插入深度與保護(hù)管的材質(zhì)有關(guān)。 金屬保護(hù)管熱傳導(dǎo)性好，插入深度深(直徑的1520倍左右)，陶瓷材料絕熱性好，可以插入淺(直徑的10-15倍左右)。 關(guān)于工程的測(cè)溫，其插入深度也與測(cè)量對(duì)象靜止或流動(dòng)等狀態(tài)有關(guān)。 例如，流動(dòng)的液體和高速氣流的溫度的測(cè)定不受上述限制。 插入深度可以很淺。 具體數(shù)值應(yīng)由實(shí)驗(yàn)決定。 2 .響應(yīng)時(shí)間的影響接觸法測(cè)溫的基本原理是測(cè)溫元件與被測(cè)量者達(dá)到熱平衡。 因此，測(cè)溫時(shí)需要保持一定的時(shí)間，使兩者達(dá)到熱平衡。 保持時(shí)間的長(zhǎng)度與測(cè)溫元件的熱響應(yīng)時(shí)間有關(guān)。 熱響應(yīng)時(shí)間主要根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)和測(cè)量條件而有很大差異。 對(duì)于氣體介質(zhì)，特別是靜止氣體，在為了取得平衡必須保持至少30min以上的液體中，zui也立即變成5min以上。 對(duì)于溫度不斷變化的被測(cè)場(chǎng)所，特別是瞬間變化的過(guò)程，全過(guò)程要求僅為1秒，傳感器的響應(yīng)時(shí)間要求為毫秒水平。 因此，一般的溫度傳感器不僅會(huì)使被測(cè)定對(duì)象的溫度變化速度產(chǎn)生延遲，還會(huì)因未達(dá)到熱平衡而產(chǎn)生測(cè)定誤差。 zui較好選擇響應(yīng)快的傳感器。 對(duì)熱電偶來(lái)說(shuō)，除保護(hù)管的影響外，熱電偶的測(cè)量端徑也是其主要因素，偶數(shù)線越細(xì)，測(cè)量端徑越小，熱響應(yīng)時(shí)間越短。 測(cè)溫元件的熱響應(yīng)誤差可通過(guò)下式求出[1]。 由于Δθ=Δθ0exp(-t/τ)(21 )式中的t測(cè)定時(shí)間s、δθ為t時(shí)刻、測(cè)溫元件的誤差、k或℃Δθ0“t=0”時(shí)刻、測(cè)溫元件的誤差、k型熱電偶或℃τ時(shí)間常數(shù)Se的自然對(duì)數(shù)的底(2.718 )，因此在t=τ的情況下，Δθ=Δθ0/e為0.368、t=2τ的差 當(dāng)被測(cè)定對(duì)象的溫度以一定的速度α(k/s或℃/s )上升或下降時(shí)，經(jīng)過(guò)充分的時(shí)間后產(chǎn)生的響應(yīng)誤差，用Δθ∞=-ατ(22 )式中δθ∞經(jīng)過(guò)充分的時(shí)間后測(cè)溫元件引起的誤差來(lái)表示。 由式( 22 )可知，響應(yīng)誤差與時(shí)間常數(shù)(τ)成比例。 為了提高檢定效率，很多企業(yè)都采用了自動(dòng)檢定裝置，對(duì)進(jìn)入工廠的熱電偶進(jìn)行了檢定，但是這個(gè)裝置還不夠完善。 二汽變速箱工廠的熱處理廠，如果400℃的恒溫時(shí)間不夠的話，很容易誤判為沒(méi)有達(dá)到熱平衡。 3 .熱輻射的影響插入爐內(nèi)的測(cè)溫用熱電偶被高溫物體的熱輻射加熱。 假設(shè)爐內(nèi)氣體透明，熱電偶和爐壁的溫度差大，會(huì)因能量交換而產(chǎn)生測(cè)溫誤差。 單位時(shí)間內(nèi)兩者交換輻射能量為p，P=σε(Tw4-Tt4)(23 )式中的σ斯特藩茲常數(shù)ε輻射率Tt熱電偶的溫度、KTw爐壁的溫度、k單位時(shí)間內(nèi)熱電偶與周圍的氣體(溫度t )對(duì)流因熱傳導(dǎo)而產(chǎn)生熱交換的能量為p'p'=αa(t-Tt)(24 ) 其誤差，因?yàn)門t-T=σε(Tt4-Tw4)/αА(25 )相對(duì)于單位面積為Tt-T=σε(Tt4-Tw4)/α(26 )，所以為了減少熱輻射誤差，應(yīng)該增大熱傳導(dǎo)，使?fàn)t壁溫度Tw盡可能接近熱電偶的溫度tt . 熱阻增加的影響在高溫下使用的熱電偶，如果被測(cè)定介質(zhì)是氣體，則堆積在保護(hù)管表面的灰塵等溶解在表面，如果保護(hù)管的熱阻增大的被測(cè)定介質(zhì)是熔體，則在使用中熔渣堆積，不僅熱電偶的響應(yīng)時(shí)間增加，指示溫度也降低。 因此，除定期檢定外，為了減少誤差，還需要經(jīng)常進(jìn)行吸引檢查。 例如，輸入的銅熔爐不僅具備測(cè)溫?zé)犭娕迹€具備用于及時(shí)校正連續(xù)測(cè)溫用熱電偶的精度的消耗型熱電偶測(cè)溫裝置。 4、熱電偶絲斑的影響: (1)熱電偶材質(zhì)本身的絲斑熱電偶在計(jì)量室進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，按照規(guī)定的要求，插入檢測(cè)爐的深度只有300mm。 因此，各熱電偶的檢定結(jié)果，準(zhǔn)確地說(shuō)只能表現(xiàn)距離測(cè)定端300mm的燈絲的熱電行為，但是，熱電偶的長(zhǎng)度長(zhǎng)的情況下，大部分燈絲處于高溫區(qū)域，如果熱電偶的燈絲均質(zhì)，則根據(jù)均質(zhì)電路的規(guī)律，測(cè)定結(jié)果與長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。 但是，熱電偶線材不均質(zhì)，特別是廉價(jià)的金屬熱電偶線材均質(zhì)性差，在有溫度梯度的情況下，局部產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，將該電動(dòng)勢(shì)稱為寄生電位。 寄生電位引起的誤差稱為不均勻誤差。 現(xiàn)有的貴金屬、廉價(jià)金屬熱電偶檢定規(guī)程中，沒(méi)有規(guī)定熱電偶的不均勻性，在熱電偶芯線基準(zhǔn)中，對(duì)熱電偶芯線的不均勻性有一定的要求。 對(duì)廉價(jià)金屬熱電偶采用首尾檢驗(yàn)法求出不均勻的熱電動(dòng)勢(shì)。 正規(guī)熱電偶的線材制造商，按照國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)不均勻的熱電動(dòng)勢(shì)滿足要求的產(chǎn)品。 (2)使用熱電偶線材后產(chǎn)生的不均勻的熱電偶，即使是不均勻的熱電偶也可以滿足，但通過(guò)反復(fù)加工彎曲，熱電偶會(huì)產(chǎn)生加工變形，失去均勻性，而且即使使用中的熱電偶長(zhǎng)時(shí)間變得高溫，熱電偶也會(huì)因偶數(shù)線材的劣化而變化。 例如，插入工業(yè)爐的熱電偶沿偶數(shù)線材的長(zhǎng)度方向劣化，隨著溫度升高劣化變強(qiáng)，劣化的部分處于具有溫度梯度的場(chǎng)所時(shí)，寄生電動(dòng)勢(shì)與總熱電動(dòng)勢(shì)重疊，產(chǎn)生測(cè)定誤差。 作者在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，某熱電偶在計(jì)量部門認(rèn)定的產(chǎn)品(多為賤金屬熱電偶)在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)不合格。 再次返回計(jì)量部門檢定合格，其主要原因是偶然線的不均質(zhì)。 生產(chǎn)熱電偶的技術(shù)人員實(shí)際感受到熱電偶的不良率也會(huì)隨著其長(zhǎng)度的增加而增加。 均受熱電偶線材不均質(zhì)性的影響。 也就是說(shuō)，不均質(zhì)即寄生電動(dòng)勢(shì)引起的誤差依賴于熱電偶芯線自身的不均質(zhì)度和溫度梯度的大小，其定量極其困難。 5、短距離有序結(jié)構(gòu)的變化( k狀態(tài))的影響。k型熱電偶在250℃600℃的溫度范圍內(nèi)使用時(shí)，其微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成短距離有序結(jié)構(gòu)，因此是影響熱電勢(shì)值而產(chǎn)生誤差的所謂k狀態(tài)。 這是NiCr合金特有的晶格變化，Cr含量在530%范圍內(nèi)存在原子晶格紊亂的變化。 由此產(chǎn)生的誤差隨Cr含量和溫度而變化。 將k型熱電偶從300℃加熱到800℃，每50℃取一點(diǎn)，測(cè)量該點(diǎn)的電位。 在450℃時(shí)偏差zui可達(dá)到4℃，在350600℃范圍內(nèi)為正偏差。 由于k狀態(tài)的存在，k型熱電偶的升溫或降溫檢測(cè)結(jié)果不一致，廉潔金屬熱電偶檢測(cè)規(guī)程明確規(guī)定了檢測(cè)步驟:從低溫升溫檢測(cè)到高溫。 而且，在400℃檢測(cè)點(diǎn)，不僅傳熱效果差，而且難以達(dá)到熱平衡，正好在k狀態(tài)誤差zui的廣泛范圍內(nèi)。 因此，在對(duì)這一點(diǎn)進(jìn)行合格與否判定時(shí)必須慎重。 NiCr合金的短程有序結(jié)構(gòu)變化的現(xiàn)象，不僅存在于k型，也存在于e型熱電偶的正極。 但是，變化量e型熱電偶只有k型的2/3。 也就是說(shuō)，k狀態(tài)與溫度、時(shí)間有關(guān)，溫度分布和熱電偶的位置發(fā)生變化時(shí)，其偏差也會(huì)發(fā)生較大變化。 很難正確地評(píng)價(jià)偏差的大小。 6、套管熱電偶的分流誤差: (1)分流誤差瓦軸集團(tuán)碳滲透爐用套管熱電偶只允許使用一周。 為探討原因，作者曾去過(guò)現(xiàn)場(chǎng)，未發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)從爐中取出并通過(guò)計(jì)量室檢定結(jié)果。 那么問(wèn)題是什么呢？ zui后，根據(jù)該支熱電偶現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置的特點(diǎn)，研究了上述問(wèn)題是由鞘熱電偶的分流誤差引起的。 所謂分流誤差，是指用鞘熱電偶測(cè)量爐溫時(shí)，如果熱電偶的中間部存在超過(guò)800°C的溫度分布，則其絕緣電阻下降，熱電偶的顯示值產(chǎn)生異常的現(xiàn)象稱為分流誤差。 根據(jù)均質(zhì)電路的規(guī)律，用熱電偶測(cè)溫的只有測(cè)量端和基準(zhǔn)端的兩端溫度，與中間溫度分布無(wú)關(guān)。 但是，由于護(hù)套熱電偶的絕緣物為粉末狀MgO，因此溫度每上升100°C，絕緣電阻就會(huì)下降一位數(shù)，中間部分的溫度高的話一定會(huì)產(chǎn)生漏電流，熱電偶的輸出電位會(huì)出現(xiàn)分流誤差。 ①K型與s型相比，k型熱電偶的導(dǎo)線電阻大于s型，因此容易發(fā)生分流誤差。 ②在外徑相同的鎧裝熱電偶中，熱電偶導(dǎo)線束越細(xì)，分流誤差越容易發(fā)生。 (2)產(chǎn)生分流誤差的條件將鞘熱電偶水平插入爐內(nèi)，其規(guī)格和實(shí)驗(yàn)條件為直徑ф4.8mm、長(zhǎng)度25m、中間部加熱帶的長(zhǎng)度20m、溫度1000℃。 在此次實(shí)驗(yàn)中，熱電偶的測(cè)量端和中間部的溫度差為200℃。 如果測(cè)量端溫度高于中間部分，則產(chǎn)生負(fù)誤差。相反，產(chǎn)生正誤差。 若兩者溫度差為200℃，分流誤差約為100℃。 這是不可忽視的，分流誤差的發(fā)生條件與鞘熱電偶的種類和直徑等因素有關(guān)[2]、7、分流誤差的影響因素和對(duì)策在高溫下鞘熱電偶中發(fā)生分流誤差的現(xiàn)象備受關(guān)注，因此，為了理解分流誤差的影響因素，減少或消除分流誤差的影響，必須采取適當(dāng)?shù)膶?duì)策。 (1)護(hù)套熱電偶的直徑，對(duì)于長(zhǎng)9米的k型護(hù)套熱電偶( MgO絕緣)，只加熱熱電偶的中間部。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分流誤差的大小與直徑的平方根成反比(直徑越細(xì)，不遵守該法則)，即直徑越細(xì)，分流誤差越大。 中間部的溫度超過(guò)800℃時(shí)，在ф3.2mm護(hù)套熱電偶中產(chǎn)生分流誤差。 但是，對(duì)于ф6.4mm及ф8mm鎧裝熱電偶，中間部的溫度為900℃時(shí)，未發(fā)現(xiàn)分流誤差。 在φ6.4mm (熱電極線直徑φ1.4 mm )和φ8mm (熱電極線直徑ф2.0mm )的護(hù)套熱電偶中，中間部溫度為1100℃時(shí)，直徑φ8mm的護(hù)套熱電偶產(chǎn)生的分流誤差僅為φ6.4mm的一半。 該數(shù)值( 50% )近視于兩種鞘熱電偶的線電極徑的平方比(1.42/2.02 )，線電極徑的平方比是線電極的電阻比。 因此，為了減少分流誤差，請(qǐng)選擇直徑盡可能粗的護(hù)套熱電偶。 (1)當(dāng)中間部的溫度超過(guò)中間部的溫度800℃時(shí)，有可能發(fā)生分流誤差，其大小隨著溫度的上升呈指數(shù)性增大。 因此，除測(cè)量端以外，盡量不要超過(guò)800℃。 (2)中間部加熱帶的長(zhǎng)度及位置中間部加熱帶的溫度超過(guò)800℃時(shí)，加熱帶的長(zhǎng)度變長(zhǎng)，越遠(yuǎn)離測(cè)定端分流誤差越大。 因此，請(qǐng)盡量縮短加熱帶的長(zhǎng)度，不要在遠(yuǎn)離測(cè)量端的地方加熱，減少分流誤差。 (3)熱電偶絲的電阻在護(hù)套熱電偶的直徑相同時(shí)，分流誤差隨著熱電偶絲的電阻增大而增加。 因此，較好采用電阻小的熱電偶絲。 例如，直徑相同的s型鎧裝熱電偶與k型熱電偶相比，分流誤差減少了40%。 因此，應(yīng)用s型熱電偶可測(cè)量爐內(nèi)溫度場(chǎng)的分布，費(fèi)用高，但正確。 (4)在絕緣電阻的高溫下，氧化物的電阻率隨著溫度的上升而指數(shù)下降，分流誤差的大小主要依賴于高溫部分的絕緣性能，絕緣電阻越低越容易發(fā)生分流誤差。 絕緣電阻變?yōu)?0倍或1/10時(shí)，其分流誤差也變?yōu)?/10或10倍。 為了減少分流誤差，請(qǐng)采用直徑盡可能粗的護(hù)套熱電偶，加厚絕緣層的厚度。 上述措施無(wú)效的，應(yīng)采用裝配式熱電偶。 8 .使用環(huán)境的影響(1)在含有選擇氧化Fe的NiCr合金中，氧分壓低于特定值時(shí)，與O2親和力大的Cr選擇氧化，是NiCr合金特有的晶界氧化。 用顯微鏡觀察外表面的氧化層，可以看到綠色析出物，這種現(xiàn)象一般稱為“綠食”。 特別是在溫度為800℃1050℃的范圍內(nèi)，體系內(nèi)含有CO、H2等還原性氣體時(shí)，k型熱電偶的正極更容易發(fā)生選擇氧化。 這種Cr含量下降引起的熱電勢(shì)下降，成為k型熱電偶在熱處理行業(yè)長(zhǎng)期使用的限制因素。 如果氣體純凈，系統(tǒng)不含氧，就可以延長(zhǎng)熱電偶的壽命。 但是，熱電偶芯線表面有氧化層的話，能夠供給Cr的選擇氧化的氧。 因此，在非氧化性環(huán)境下使用時(shí)，請(qǐng)使用干凈研磨過(guò)的偶數(shù)線。 同時(shí)，請(qǐng)盡量避免在具有微量氧氣的惰性氣體和氧分壓低的空氣中使用。 當(dāng)保護(hù)管長(zhǎng)徑較大(即保護(hù)管較細(xì))時(shí)，因空氣循環(huán)不良而成缺氧狀態(tài)，其殘留少量氧仍能為Cr的選擇氧化提供條件。 (2)選擇氧化的對(duì)策為了防止或緩和k型熱電偶的選擇氧化引起的劣化，除了在材質(zhì)方面進(jìn)行改善之外，還選擇應(yīng)該采取熱電偶結(jié)構(gòu)上的對(duì)策的①與氧的親和性比Cr強(qiáng)的金屬作為吸氣劑，封入保護(hù)管內(nèi)，防止Cr的選擇氧化，通過(guò)增加保護(hù)管的直徑或吹氣的方法進(jìn)行氧 ②組裝式熱電偶實(shí)體化。 實(shí)體碳滲透爐用熱電偶，具有密封結(jié)構(gòu)的組裝式熱電偶，可以防止Cr的選擇氧化，經(jīng)過(guò)十幾家企業(yè)多年的使用證明，該方案是有效的。 壽命超過(guò)12個(gè)月，用戶滿意。 (3)使用環(huán)境影響熱電偶的穩(wěn)定性，由于使用溫度、環(huán)境不同，同一種傳感器，例如k型熱電偶的zui高使用溫度也隨直徑變化，直徑相同的k型熱電偶根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同穩(wěn)定性也有很大差異。

本文熱電偶高頻詞： 測(cè)量  誤差 

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