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| 影響熱電偶測(cè)量誤差的因素有哪些 |
| 點(diǎn)擊次數(shù)：4684 更新時(shí)間：2014-09-15 |
在溫度測(cè)溫系統(tǒng)中，zui常用的溫度傳感器熱電偶，但現(xiàn)場(chǎng)人員認(rèn)為熱電偶兩根線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，熱電偶在使用前如果不進(jìn)行測(cè)試或正確使用，在現(xiàn)場(chǎng)使用中仍然會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題。例如
安裝或使用不當(dāng)，將會(huì)引起較大的測(cè)量誤差，甚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中，如果不注意，K型熱電偶也會(huì)因選擇性氧化而超差。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)。
熱電偶在溫度測(cè)量擔(dān)當(dāng)著*的角色，對(duì)于影響測(cè)量誤差的主要因素有：
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重要的。測(cè)溫點(diǎn)的位置，對(duì)于生產(chǎn)工藝過(guò)程而言，一定要具有典型性、代表性，否則將失去測(cè)量與控制的意義。
（2）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。總之，由熱傳
導(dǎo)而引起的誤差，與插入深度有關(guān)。而插入深度又與保護(hù)管材質(zhì)有關(guān)。金屬保護(hù)管因其導(dǎo)熱性能好，其插入深度應(yīng)該深一些（約為直徑的1520倍），陶瓷材料絕熱性能好，可插入
淺一些（約為直徑的10-15倍）。對(duì)于工程測(cè)溫，其插入深度還與測(cè)量對(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，將不受上述限制，插入深度可以淺一些，具體數(shù)值應(yīng)由實(shí)驗(yàn)確定。
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)時(shí)間有關(guān)。而熱響應(yīng)時(shí)間主要取決于傳感器的結(jié)構(gòu)及測(cè)量條件，差別極大。對(duì)于氣體介質(zhì)，尤其是靜止氣體，至少應(yīng)保持30min以上才能達(dá)到平衡；對(duì)于液體而言，zui快也要在5min以上。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，則要求傳感器的響應(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。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[1]。Δθ=Δθ0exp（-t/τ）（21）式中t測(cè)量時(shí)間S，Δθ在t時(shí)刻，測(cè)溫元件引起的誤差，K或℃Δθ0“t=0”時(shí)刻，測(cè)溫元件引起的誤差，K型熱電偶或℃τ時(shí)間常數(shù)Se自然對(duì)數(shù)的底（2.718）因此，當(dāng)t=τ時(shí)，則Δθ=Δθ0/e即為0.368，如果當(dāng)t=2τ時(shí),則Δθ=Δθ0/e2即為0.135。當(dāng)被測(cè)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)足夠的時(shí)間后,所產(chǎn)生的響應(yīng)誤差可用下式表示：Δθ∞=-ατ（22）式中Δθ∞經(jīng)過(guò)足夠時(shí)間后，測(cè)溫元件引起的誤差。由式（22）可以看出，響應(yīng)誤差與時(shí)間常數(shù)（τ）成正比。為了提高檢定效率許多企業(yè)采用自動(dòng)檢定裝置，對(duì)入廠熱電偶進(jìn)行檢定，但是，該裝置也并非十分完善。二汽變速箱廠熱處理車間就發(fā)現(xiàn)如果在400℃點(diǎn)的恒溫時(shí)間不夠，達(dá)不到熱平衡，就容易發(fā)生誤判。
3,熱輻射的影響
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)，兩者交換的輻射能為P，可用下式表示：P=σε（Tw4-Tt4）（23）式中σ斯忒藩波爾茲常數(shù)ε發(fā)射率Tt熱電偶的溫度,KTw爐壁的溫度,K在單位時(shí)間內(nèi),熱電偶同周圍的氣體（溫度為T）,通過(guò)對(duì)流及熱傳導(dǎo)也將發(fā)生熱量交換的能量為P′P′=αA（T-Tt）（24）式中α熱導(dǎo)率A熱電偶的表面積在正常狀態(tài)下，P=P′，其誤差為：Tt-T=σε（Tt4-Tw4）/αА（25）對(duì)于單位面積而言其誤差為Tt-T=σε（Tt4-Tw4）/α（26）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，盡可能接近熱電偶的溫度Tt。
熱阻抗增加的影響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，不僅安測(cè)溫?zé)犭娕迹€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)確度。
4、熱電偶絲不均質(zhì)影響:
（1）熱電偶材質(zhì)本身不均質(zhì)熱電偶在計(jì)量室檢定時(shí)，按規(guī)程要求，插入檢定爐內(nèi)的深度只有300mm。因此每支熱電偶的檢定結(jié)果，確切的說(shuō)只能體現(xiàn)或主要體現(xiàn)出從測(cè)量端開始300mm長(zhǎng)偶絲的熱電行為，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，熱電偶絲并非均質(zhì)，尤其是廉金屬熱電偶絲其均質(zhì)性較差，又處于具有溫度梯度的場(chǎng)合，那么其局部將產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)稱為寄生電勢(shì)。由寄生電勢(shì)引起的誤差稱為不均質(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)熱電偶的不均質(zhì)尚未作出規(guī)定，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)廉金屬熱電偶采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，均按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，生產(chǎn)出不均勻熱電動(dòng)勢(shì)符合要求的產(chǎn)品。（2）熱電偶絲經(jīng)使用后產(chǎn)生的不均質(zhì)對(duì)于新制的熱電偶，即使是不均勻熱電動(dòng)勢(shì)能滿足要求，但是，反復(fù)加工、彎曲致使熱電偶產(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：插入工業(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。再返回到計(jì)量部門檢定仍然合格，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，由不均質(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)其定量極其困難。
5、短程有序結(jié)構(gòu)變化（K狀態(tài)）的影響
K型熱電偶在250℃600℃溫度范圍內(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)。它是NiCr合金*的晶格變化，當(dāng)Cr含量在530%范圍內(nèi)存在著原子晶格的有序無(wú)序轉(zhuǎn)變。由此而引起的誤差，因Cr含量及溫度的不同而變化。將K型熱電偶從300℃加熱至800℃，每50℃取一點(diǎn)，測(cè)量該點(diǎn)電勢(shì)。在450℃時(shí)偏差zui大可達(dá)4℃，在350600℃范圍內(nèi)，均為正偏差。由于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zui大范圍。因此，對(duì)該點(diǎn)判定合格與否時(shí)應(yīng)很慎重。NiCr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型熱電偶正極中也有此現(xiàn)象。但是，作為變化量E型熱電偶僅為K型的2/3。總之，K狀態(tài)與溫度、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)偏差大小作出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。
6、鎧裝熱電偶的分流誤差:
（1）分流誤差瓦軸集團(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？zui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)題是鎧裝熱電偶的分流誤差造成的。所謂分流誤差即用鎧裝熱電偶測(cè)量爐溫時(shí)，當(dāng)熱電偶中間部位有超過(guò)800°C的溫度分布存在時(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)，與中間溫度分布無(wú)關(guān)。可是由于鎧裝熱電偶的絕緣物是粉末狀MgO，溫度每升高100°C，其絕緣電阻下降一個(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)中有分流誤差出現(xiàn)。
①K型與S型相比，K型熱電偶絲電阻比S型電阻大，故更容易產(chǎn)生分流誤差。
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。
（2）分流誤差產(chǎn)生的條件將鎧裝熱電偶水平插入爐內(nèi)，其規(guī)格及實(shí)驗(yàn)條件為：直徑ф4.8mm,長(zhǎng)度為25m,中間部位加熱帶的長(zhǎng)度為20m，溫度為1000℃。本次實(shí)驗(yàn)中，熱電偶的測(cè)量端與中間部位的溫差為200℃。如果測(cè)量端溫度高于中間部位，則產(chǎn)生負(fù)誤差；相反，則產(chǎn)生正誤差。如果兩者的溫差為200℃，那么，分流誤差約為100℃。這是不能忽視的，分流誤差的產(chǎn)生條件與鎧裝熱電偶種類和直徑等因素有關(guān)[2]，
7、分流誤差的影響因素及對(duì)策
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。（1）鎧裝熱電偶直徑對(duì)于長(zhǎng)度為9米的K型鎧裝熱電偶（MgO絕緣），只將熱電偶中間部位加熱。實(shí)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），即直徑越細(xì)，分流誤差越大。當(dāng)中間部位溫度高于800℃時(shí)，對(duì)于ф3.2mm鎧裝熱電偶將產(chǎn)生分流誤差。但對(duì)于ф6.4mm及ф8mm鎧裝熱電偶，當(dāng)中間部位的溫度為900℃時(shí)，仍未發(fā)現(xiàn)分流誤差。對(duì)于ф6.4mm（熱電極絲直徑為ф1.4mm）與ф8mm（熱電極絲直徑為ф2.0mm）的鎧裝熱電偶，當(dāng)中間部位溫度為1100℃時(shí)，直徑為ф8mm的鎧裝熱電偶產(chǎn)生的分流誤差僅為ф6.4mm的一半。此數(shù)值（50%）近視于兩種鎧裝熱電偶電極絲直徑的平方比（1.42/2.02）,而電極絲直徑平方比,即為電極絲的電阻比。因此，為了減少分流誤差，應(yīng)盡可能選用粗直徑的鎧裝熱電偶。
（1）中間部位的溫度如果中間部位的溫度超過(guò)800℃，有可能產(chǎn)生分流誤差，其大小將隨溫度的升高，呈指數(shù)關(guān)系增大。因此，除測(cè)量端外，其它部位應(yīng)盡可能避免超過(guò)800℃。
（2）中間部位加熱帶長(zhǎng)度及位置當(dāng)中間部位加熱帶溫度高于800℃時(shí)，其加熱帶的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，距離測(cè)量端越遠(yuǎn)，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，以減少分流誤差。
（3）熱電偶絲的電阻當(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型鎧裝熱電偶同K型熱電偶相比，其分流誤差減少40%。因此，可采用S型熱電偶測(cè)量爐內(nèi)溫場(chǎng)分布，費(fèi)用雖高，但較準(zhǔn)確。
（4）絕緣電阻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)生分流誤差。當(dāng)絕緣電阻增加10倍或減少至1/10時(shí)，其分流誤差也隨之減少至1/10或增大10倍。為了減少分流誤差，應(yīng)盡可能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)，只好采用裝配式熱電偶。
8、使用氣氛的影響
（1）選擇性氧化對(duì)于含F(xiàn)e的NiCr合金，如果氧分壓低于特定值，那么同O2親和力大的Cr，將發(fā)生選擇性氧化，這是NiCr合金*的晶界氧化。如用顯微鏡觀察外表面氧化層，就可以看到綠色析出物，這種現(xiàn)象通常稱為“綠蝕”。尤其是當(dāng)溫度在800℃1050℃范圍內(nèi)，體系內(nèi)又含有CO，H2等還原性氣體時(shí)，K型熱電偶的正極，更容易發(fā)生選擇性氧化。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)期使用的限制因素。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)不良，形成缺氧狀態(tài)，其殘余的少量氧仍可為Cr的選擇性氧化提供條件。
（2）選擇性氧化的對(duì)策為了防止或減緩K型熱電偶因選擇性氧化而引起劣化，除了在材質(zhì)方面加以改善外，還應(yīng)在熱電偶結(jié)構(gòu)上采取相應(yīng)對(duì)策：
①選擇對(duì)氧親和力較Cr更強(qiáng)的金屬作為吸氣劑，封入保護(hù)管內(nèi)，防止Cr發(fā)生選擇性氧化，也可以采用增加保護(hù)管直徑或吹氣的方法增加氧含量。
②裝配式熱電偶實(shí)體化。實(shí)體型滲碳爐用熱電偶，具有密封結(jié)構(gòu)的裝配式熱電偶，可防止Cr發(fā)生選擇性氧化，經(jīng)十幾家企業(yè)多年使用證明，此方案有效。使用壽命在12個(gè)月以上，用戶很滿意。
（3）使用氣氛的影響熱電偶的穩(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zui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)定性也有很大差異。 |
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