影響熱電偶測量準確度因素的幾點分析

1 熱電偶熱電特性不穩(wěn)定的影響

1.1 沾污與應力的影響

(1)熱電偶在生產(chǎn)加工過程中 ,偶絲經(jīng)過多道縮徑拉伸在其表面總是受沾污的。同時,從偶絲內(nèi)部結(jié)構來看。不可避免地存在應力及晶格的不均勻性。這些物理狀態(tài)的不一致性,對偶絲的塞貝克系數(shù)有影響,影響熱電偶示值的不穩(wěn)定性。所以,一支退火不合格的熱電偶,不可能用來準確的測溫。因淬火或冷加工引入的應力,可以用退火的方法予以基本消除。退火不合格所造成的示值誤差,可達十分之幾度到幾度的變化。它與待測溫度和熱電偶電極上的溫度梯度大小有關。廉價金屬熱電偶絲通常以“退火”狀態(tài)交付使用,如果需要對高溫用廉價金屬熱電偶進行退火,那么,退火溫度應高于使用溫度的上限,插入深度也應大于實際使用深度。

(2)對于作為基準和標準用的熱電偶 ,在分度時最好在每一個分度點后都進行退火。對貴金屬熱電偶來說,退火程序是很重要的。在標準熱電偶的檢定規(guī)程中規(guī)定,標準熱電偶在檢定前,必須先進行清洗和退火,以消除熱電偶的沾污和應力,從而改善了偶絲材料的金相組織,達到了提高測量穩(wěn)定性。

1.2 不均勻性的影響

(1)在熱電偶的理論中指出 ,由均質(zhì)導體制成的熱電偶,其熱電勢與兩端溫度有關,而與沿熱電極長度的溫度分布無關。若熱電極材料不是均勻的,兩熱電極又處于溫度梯度場中,則熱電偶會產(chǎn)生一個附加熱電勢,即稱為“不均勻電勢”。不均勻電勢的大小取決于沿熱電極長度的溫度梯度分布狀態(tài),材料的不均勻形式和不均勻程度,以及熱電極在溫度場所處的位置。

(2)造成熱電極不均勻的原因 ,主要是化學成分和物理狀態(tài)兩方面,在化學成分方面如雜質(zhì)分布不均勻,成分的偏析,熱電極表面局部的金屬揮發(fā),氧化或某金屬元素選擇性氧化,測量在高溫下的熱擴散,以及熱電偶在有害氣氛中受到沾污和腐蝕等。在物理狀態(tài)方面有應力分布不均勻和電極結(jié)構不均勻等。在工業(yè)中使用的熱電偶,有時不均勻性電勢引起的附加誤差竟達20℃多度。這將嚴重地影響熱電偶的穩(wěn)定性和互換性,所以均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要指標之一。

2 熱電偶自身不穩(wěn)定性的影響

不穩(wěn)定性就是熱電偶的分度值,隨時間和使用條件的不同而引起的變化。在大多數(shù)情況下,它可能是不準確性的主要原因。如果分度值的變化相對地講是緩慢而又均勻的,這是經(jīng)常進行監(jiān)督性校檢(如標準熱電偶),或根據(jù)實際使用情況安排周期檢定,這樣可以減少不穩(wěn)定性引入的誤差。

2.1 影響不穩(wěn)定性因素

(1)沾污。前面已討論過偶絲將影響熱電偶的塞貝克系數(shù)。偶絲材料往往受到環(huán)境氣氛或保護管雜質(zhì)沾污,不同程度的沾污所產(chǎn)生的附加電勢也不同,這種附加電勢將改變原來的分度特性,這是造成熱電偶示值不穩(wěn)定的一個因素。例如,鉑銠10-鉑熱電偶,當使用的陶瓷管中含有鐵的雜質(zhì),鉑銠絲受鐵沾污后,就影響其熱電特性;當在含硅的高溫還原性氣氛中使用時,由于硅被還原成自由硅而與鉑銠絲化合成為鉑硅化合物,使偶絲變脆。檢定標準熱電偶所用的絕緣瓷管都要求用王水清洗,高溫烘烤并規(guī)定正、負極的穿孔極性。若在常用的管中把熱電極的正、負極穿錯,原穿鉑銠孔中的鉑,會向鉑極滲透而改變標準熱電偶的熱電特性。上述種種情況都會影響熱電偶的穩(wěn)定性。

(2)熱電極在高溫下?lián)]發(fā) ,熱電偶的偶絲材料多數(shù)是合金材料,由于各組分材料的蒸氣壓不同,所以揮發(fā)的程度也不同,在高溫下使用一定時間后,合金成分比例就有所改變,這將導致熱電勢產(chǎn)生明顯變化。

(3)氧化還原。許多熱電偶的不穩(wěn)定性是由于偶絲氧化造成的。銅-康銅、鐵-康銅、鎳鉻-鎳硅等熱電偶都能與氧化發(fā)生反應。如果熱電極是均勻氧化,影響可能小一些;若是具有擇優(yōu)氧化,則其影響是很嚴重的。在低氧分壓中(即缺氧的情況下),鎳鉻電極中的鉻將產(chǎn)生擇優(yōu)氧化而改變偶絲的組合成分。

(4)脆化。脆化是熱電偶報廢的最普遍因素。沾污,晶粒生長,氧化(例如鎳鉻-鎳鋁)和長期使用于高溫下再結(jié)晶(如鎢)等因素,都可能導致偶絲的脆化。

(5)輻射。熱電偶工作在原子反應堆中,受到中子轟擊后,偶絲材料中如果有一種或幾種元素發(fā)生蛻變(例如銠蛻變?yōu)殁Z),改變了偶絲的成分,使熱電特性發(fā)生了明顯的變化。

2.2 熱電偶的穩(wěn)定性檢測

(1)檢查新制標準熱電偶熱電動勢的穩(wěn)定性,是將熱電偶放入退火爐中,使從測量端起400mm的一段處于某一要求溫度的均勻中進行兩次退火1h～2h,第一次退火可消除熱電偶的內(nèi)應力,取出后在規(guī)定的溫度下測量其熱電勢,然后再放入退火爐中,按上述方法再進行一次退火,取出后再測其電動勢,以第二次退火前后(在同一規(guī)定的溫度點)兩次熱電動勢之差作為評價標準,若不超過測量點要求即為合格。

(2)使用中的標準熱電偶 ,其熱電動勢的穩(wěn)定性,是以檢定測得的熱電動勢和上一次檢定結(jié)果比較,若不超過允許變化誤差值,即為合格。

3 參考端溫度的影響

熱電偶的熱電動勢的大下與熱電極材料以及工作端的溫度有關。熱電偶的分度表和根據(jù)分度表的溫度顯示儀表都是以熱點偶參考端溫度等于0℃為條件的。所以在使用時必須遵循這一條件。如果參考端溫度tn不等于0℃,盡管被測溫度t恒定不變,熱電勢EAB(t,tn)也將隨著參考端溫度tn的變化而變化。其變化大小可根據(jù)熱電偶的中間溫度定律求得。EA B(t,tn) =EA B(t,tn )+E AB(tn,to)當to>0℃時,此時熱電偶的熱電動勢減少了EAB(tn,to),因而將使測量儀表的示值下降。因此,當參考端溫度不等于0℃時,對被測溫度的準確性有著十分重要的影響。用熱電偶測溫時,要使參考端溫度保持在0℃比較麻煩,一般只有在實驗室作精密測溫時才有必要。通常在工程測量中,參考端溫度大都處在室溫或波動的溫區(qū),這時,要測出實際溫度。就必須采取修正或補償?shù)却胧Ｑa正方法有幾種方式:熱電勢補正法、溫度補正法、調(diào)儀表起始點法、補償導線法、參考端溫度補償器。都可以達到修正測量結(jié)果。

4 傳熱影響

當熱電偶插入被測介質(zhì)(如氣流)時,它要從被測介質(zhì)吸收熱量使自身溫度升高,同時它又以熱輻射方式和熱傳導方式向溫度低的地方散發(fā)熱量。由于熱電偶傳熱影響,使得熱電偶達不到吸收熱量的情況下所應該達到的溫度。經(jīng)過若干時間以后,當測量端向外散失的熱量等于自氣流中吸收的熱量時,即達到動態(tài)平衡,此時熱電偶達到了穩(wěn)定的示值。但此示值并不代表氣流的真實溫度,因為測量端環(huán)境散失的熱量是由于氣流的加熱來補償,也就是說,測量端與環(huán)境的傳熱愈強,測量端的溫度偏離氣流溫度也愈大。在這種情況下,如仍以熱電偶的指示溫度T偶來表示氣流溫度T氣,勢必引入(T氣-T偶)誤差,即傳熱誤差。

5 動態(tài)響應誤差

熱電偶插入被測介質(zhì)后,由于本身具有熱惰性,因此不能立即指示出被測氣流的溫度,其示值Ta將逐漸上升,一直到測量端吸熱,放熱達到動平衡后才達到穩(wěn)定的示值Ta∞。在熱電偶插入后到示值穩(wěn)定之前的整個不穩(wěn)定過程中,熱電偶的瞬時示值T測與穩(wěn)定后的示值T∞存在著偏差,這時熱電偶除了有各種穩(wěn)定的誤差外,還存在有熱電偶熱惰性引入的偏差(即T測-T∞),這一偏差稱為動態(tài)響應誤差,用△T動表示。

△ T動 =T測 -Ta∞ =τ dT測 /dt式中:τ為熱電偶的時間常數(shù)為了簡化起見,以下討論時均假設沒有其它誤差因素的影響,即T∞=T氣,于是τ dT測 /dt+T測 =T氣。如果被測溫度是不隨時間變化的穩(wěn)態(tài)測量,只要熱電偶插入后經(jīng)過足夠長的時間,待其示值穩(wěn)定后再進行讀數(shù),便可避免動態(tài)誤差的影響。

6 測量系統(tǒng)漏電影響

絕緣不良是產(chǎn)生電流泄露的主要原因,它對熱電偶測溫的準確度有很大的影響,能歪曲被測的熱電勢,使儀表顯示失真,甚至不能正常工作。漏電引起誤差是多方面的,例如熱電極絕緣瓷管的絕緣電阻較差,能使熱電流旁路,使熱電偶的端電壓下降,但這個影響是較小的。若電測設備漏電,也能使工作電流旁路,使測量產(chǎn)生誤差。

從以上論述幾點不穩(wěn)定因素,是熱電偶測量溫度中,不可不認識的問題,隨著工業(yè)技術的發(fā)展,熱電偶在生產(chǎn)領域中的廣泛應用,對其熱電偶的使用要求越來越精準,因此了解掌握熱電偶其特性及應用,才能準確達到我們所需要的各種測量目的。