熱電偶測量誤差及其注意事項

關鍵詞：測量誤差； 注意事項；分流誤差； K狀態(tài)； 熱電偶劣化

 
1. 前言
        在現(xiàn)有的測溫系統(tǒng)中，最常用的溫度傳感器—熱電偶，因其結構簡單，往往被誤認為“熱電偶兩根線，接上就完事”，其實并非如此。 熱電偶的結構雖然簡單，但在使用中仍然會出現(xiàn)各種問題。例如：安裝或使用方法不當，將會引起較大的測量誤差，甚至檢定合格的熱電偶也會因操作不當，在使用時不合格，在滲碳等還原性氣氛中，如果不注意，K型熱電偶也會因選擇性氧化而超差。

        為了提高測量精度，減少測量誤差，延長熱電偶使用壽命，要求使用者不僅應具備儀表方面的操作技能，而且還應具有物理、化學及材料等多方面知識。作者根據(jù)多年實踐，并參閱有關資料較詳細地介紹熱電偶的測量誤差及其注意事項。

 
2．測量誤差的主要影響因素
2．1插入深度的影響
（1）測溫點的選擇
        熱電偶的安裝位置，即測溫點的選擇是最重要的。測溫點的位置，對于生產工藝過程而言，一定要具有典型性、代表性，否則將失去測量與控制的意義。

（2）插入深度
        熱電偶插入被測場所時，沿著傳感器的長度方向將產生熱流。當環(huán)境溫度低時就會有熱損失。致使熱電偶與被測對象的溫度不一致而產生測溫誤差?？傊?，由熱傳導而引起的誤差，與插入深度有關。而插入深度又與保護管材質有關。金屬保護管因其導熱性能好，其插入深度應該深一些（約為直徑的15—20倍），陶瓷材料絕熱性能好，可插入淺一些（約為直徑的10-15倍）。對于工程測溫，其插入深度還與測量對象是靜止或流動等狀態(tài)有關，如流動的液體或高速氣流溫度的測量，將不受上述限制，插入深度可以淺一些，具體數(shù)值應由實驗確定。

2．2響應時間的影響
        接觸法測溫的基本原理是測溫元件要與被測對象達到熱平衡。因此，在測溫時需要保持一定時間，才能使兩者達到熱平衡。而保持時間的長短，同測溫元件的熱響應時間有關。而熱響應時間主要取決于傳感器的結構及測量條件，差別極大。對于氣體介質，尤其是靜止氣體，至少應保持30min以上才能達到平衡；對于液體而言，最快也要在5min以上。

        對于溫度不斷變化的被測場所，尤其是瞬間變化過程，全過程僅1秒鐘，則要求傳感器的響應時間在毫秒級。因此，普通的溫度傳感器不僅跟不上被測對象的溫度變化速度出現(xiàn)滯后，而且也會因達不到熱平衡而產生測量誤差。最好選擇響應快的傳感器。對熱電偶而言除保護管影響外，熱電偶的測量端直徑也是其主要因素，即偶絲越細，測量端直徑越小，其熱響應時間越短。測溫元件熱響應誤差可通過下式確定 [1]。
         Δθ=Δθ0exp（-t/τ）                                 （2—1）
         式中 t—測量時間  S，
         Δθ—在 t  時刻，測溫元件引起的誤差，K或℃
         Δθ0—“t=0” 時刻，測溫元件引起的誤差，K或℃
         τ—時間常數(shù) S
         e —自然對數(shù)的底（2.718）
        因此，當t=τ時，則Δθ=Δθ0/e   即為0.368，
        如果當t=2τ時,則Δθ=Δθ0/e2  即為0.135。
        當被測對象的溫度℃/s)上升或下降時,經(jīng)過足夠的時間后,所產生的響應誤差可用下式表示：,以一定的速度α(k/s或
        Δθ∞=-ατ                                          （2—2）
        式中   Δθ∞—經(jīng)過足夠時間后，測溫元件引起的誤差。

        由式（2—2）可以看出，響應誤差與時間常數(shù)（τ）成正比。為了提高檢定效率許多企業(yè)采用自動檢定裝置，對入廠熱電偶進行檢定，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℃點的恒溫時間不夠，達不到熱平衡，就容易發(fā)生誤判。

2．3熱輻射的影響
        插入爐內用于測溫的熱電偶，將被高溫物體發(fā)出的熱輻射加熱。假定爐內氣體是透明的，而且，熱電偶與爐壁的溫差較大時，將因能量交換而產生測溫誤差。
        在單位時間內，兩者交換的輻射能為P，可用下式表示：
        P=σε（Tw4 - Tt4  ）                             （2—3）
        式中  σ—斯忒藩—波爾茲常數(shù)
        ε—發(fā)射率
        Tt—熱電偶的溫度 , K
        Tw—爐壁的溫度 ,  K
        在單位時間內,熱電偶同周圍的氣體（溫度為T）,通過對流及熱傳導也將發(fā)生熱量交換的能量為P′
        P′=αA（T-Tt）                                （2—4）
        式中 α—熱導率
        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                          （2—5）
        對于單位面積而言其誤差為
        Tt-T=σε（Tt4-Tw4）/α                           （2—6）
        因此，為了減少熱輻射誤差，應增大熱傳導，并使爐壁溫度Tw ，盡可能接近熱電偶的溫度Tt。另外，在安裝時還應注意：
        ① 熱電偶安裝位置，應盡可能避開從固體發(fā)出的熱輻射，使其不能輻射到熱電偶表面；
        ② 熱電偶最好帶有熱輻射遮蔽套。

2．4熱阻抗增加的影響
        在高溫下使用的熱電偶，如果被測介質為氣態(tài)，那么保護管表面沉積的灰塵等將燒熔在表面上，使保護管的熱阻抗增大；如果被測介質是熔體，在使用過程中將有爐渣沉積，不僅增加了熱電偶的響應時間，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，進口銅熔煉爐，不僅安<