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熱電偶解決問題和安裝方法﹑zui普通的溫度傳感器?？墒侨绻谑褂弥胁蛔⒁?，也會引起較大測量誤差。針對當(dāng)前存在的問題，詳細(xì)探討影響測量誤差的主要因素：熱電偶插入深度﹑響應(yīng)時(shí)間﹑熱輻射及熱阻抗等，指出熱電偶絲不均質(zhì)﹑鎧裝熱電偶分流誤差﹑K型熱電偶的選擇性氧化﹑K狀態(tài)﹑使用氣氛﹑絕緣電阻及熱電偶劣化等在使用中應(yīng)注意事項(xiàng)。對提高測量精度，延長熱電偶壽命，有一定幫助。

關(guān)鍵詞：測量誤差； 注意事項(xiàng)；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，zui常用的溫度傳感器—熱電偶，因其結(jié)構(gòu)簡單，往往被誤認(rèn)為“熱電偶兩根線，接上就完事”，其實(shí)并非如此。熱電偶的結(jié)構(gòu)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(dāng)，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(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(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。作者根據(jù)多年實(shí)踐，并參閱有關(guān)資料較詳細(xì)地介紹熱電偶的測量誤差及其注意事項(xiàng)。

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(diǎn)的選擇

    熱電偶的安裝位置，即測溫點(diǎn)的選擇是zui重要的。測溫點(diǎn)的位置，對于生產(chǎn)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(shí)，沿著傳感器的長度方向?qū)a(chǎn)生熱流。當(dāng)環(huán)境溫度低時(shí)就會有熱損失。致使熱電偶與被測對象的溫度不一致而產(chǎn)生測溫誤差。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(guān)，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(yīng)由實(shí)驗(yàn)確定。

2．2響應(yīng)時(shí)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(dá)到熱平衡。因此，在測溫時(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)間的長短，同測溫元件的熱響應(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)及測量條件，差別極大。對于氣體介質(zhì)，尤其是靜止氣體，至少應(yīng)保持30min以上才能達(dá)到平衡；對于液體而言，zui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(yīng)時(shí)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(dá)不到熱平衡而產(chǎn)生測量誤差。選擇響應(yīng)快的傳感器。對熱電偶而言除保護(hù)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(xì)，測量端直徑越小，其熱響應(yīng)時(shí)間越短。測溫元件熱響應(yīng)誤差可通過下式確定 [1]。

Δθ=Δθ0exp（-t/τ）（2—1）

式中 t—測量時(shí)間S，

Δθ—在 t時(shí)刻，測溫元件引起的誤差，K或℃

Δθ0—“t=0” 時(shí)刻，測溫元件引起的誤差，K或℃

τ—時(shí)間常數(shù) S

e —自然對數(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)被測對象的溫度,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（2—2）

式中Δθ∞—經(jīng)過足夠時(shí)間后，測溫元件引起的誤差。

    由式（2—2）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)采用自動檢定裝置，對入廠熱電偶進(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。

2．3熱輻射的影響

    插入爐內(nèi)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(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 ）（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(shí)間內(nèi),熱電偶同周圍的氣體（溫度為T）,通過對流及熱傳導(dǎo)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(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）/α?。?—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(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。另外，在安裝時(shí)還應(yīng)注意：

• 熱電偶安裝位置，應(yīng)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；
• 熱電偶帶有熱輻射遮蔽套。

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(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；如果被測介質(zhì)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(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，不僅安裝有連續(xù)測溫?zé)犭娕?，還配備消耗型熱電偶測溫裝置，用于及時(shí)校準(zhǔn)連續(xù)測溫用熱電偶的準(zhǔn)確度。

3.熱電偶劣化與使用壽命

3.1熱電偶的劣化

    熱電偶的使用壽命與其劣化有關(guān)，所謂熱電偶的劣化，即熱電偶經(jīng)使用后，出現(xiàn)老化變質(zhì)的現(xiàn)象。由金屬或合金構(gòu)成的熱電偶，在高溫下其內(nèi)部晶粒要逐漸長大。同時(shí)合金中含有少量雜質(zhì)，其位置或形狀也將發(fā)生變化，而且，對周圍環(huán)境中的還原或氧化性氣體也要發(fā)生反應(yīng)。伴隨上述變化，熱電偶的熱電動勢也將極其敏感的發(fā)生變化。因此熱電偶的劣化現(xiàn)象是不可避免的。

3.2熱電偶的使用壽命

    熱電偶的劣化是一個(gè)量變過程，對其定量很困難，將隨熱電偶的種類﹑直徑﹑使用溫度﹑氣氛﹑時(shí)間的不同而變化。熱電偶的使用壽命是指熱電偶劣化發(fā)展到超過允許誤差，甚至斷線不能使用的時(shí)間。

（1）裝配式熱電偶的壽命

    我國標(biāo)準(zhǔn)中僅對熱電偶的穩(wěn)定性有要求。即規(guī)定在某一溫度下經(jīng)200h，使用前后熱電動勢的變化。但是，尚未發(fā)現(xiàn)對使用壽命有規(guī)定。日本有關(guān)熱電偶使用壽命的要求，是依據(jù)日本JIS（C-1602-1995）標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的熱電偶連續(xù)使用時(shí)間。對B﹑R﹑S型熱電偶而言為2000h,K﹑E﹑J﹑T型熱電偶為10000h。

    在實(shí)際使用時(shí)，裝配式熱電偶通常有保護(hù)管，只有在特殊情況下才裸絲使用。因此，在多數(shù)場合下，保護(hù)管的壽命決定了熱電偶壽命。對熱電偶的實(shí)際使用壽命的判斷，必須是通過長期收集﹑積累實(shí)際使用狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，才有可能給出較準(zhǔn)確的結(jié)果[5]。

（2）鎧裝熱電偶的壽命

    由于鎧裝熱電偶有套管保護(hù)與外界環(huán)境隔絕，因此套管材質(zhì)對鎧裝熱電偶的壽命影響很大，必須根據(jù)用途選擇熱電偶絲及金屬套管。當(dāng)材質(zhì)選定后，其壽命又隨著鎧裝熱電偶直徑的增大而增加。鎧裝熱電偶同裝配式熱電偶相比，雖有許多優(yōu)點(diǎn)，但使用壽命往往低于裝配式熱電偶。

4.  熱電偶測溫應(yīng)注意的事項(xiàng)

4. 1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，確切的說只能體現(xiàn)或主要體現(xiàn)出從測量端開始300mm長偶絲的熱電行為，然而，當(dāng)熱電偶的長度較長時(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，測量結(jié)果與長度無關(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合，那么其局部將產(chǎn)生熱電動勢，該電動勢稱為寄生電勢。由寄生電勢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，對熱電偶絲的不均勻性有一定要求。對廉金屬熱電偶采用首尾檢定法求出不均勻熱電動勢。正規(guī)熱電偶絲材生產(chǎn)廠，均按國家標(biāo)準(zhǔn)要求，生產(chǎn)出不均勻熱電動勢符合要求的產(chǎn)品。

（2）熱電偶絲經(jīng)使用后產(chǎn)生的不均質(zhì)

    對于新制的熱電偶，即使是不均勻熱電動勢能滿足要求，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期處于高溫下也會因偶絲的劣化而引起熱電動勢變化，例如：插入工業(yè)爐中的熱電偶，將沿偶絲長度方向發(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所，也將產(chǎn)生寄生電動勢疊加在總熱電動勢中而出現(xiàn)測量誤差。

    作者在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)有的熱電偶經(jīng)*檢定合格的產(chǎn)品（多為廉金屬熱電偶）到現(xiàn)場使用時(shí)卻不合格。再返回到*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)人員都切身體會到，熱電偶的不合格率也隨其長度的增加而增加。皆是受熱電偶絲材不均質(zhì)的影響。總之，由不均質(zhì)即寄生電動勢引起的誤差，取決于熱電偶絲自身的不均質(zhì)程度及溫度梯度的大小，對其定量極其困難。

4.2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)場考察，但未發(fā)現(xiàn)異常，只好從爐子上取下來經(jīng)計(jì)量室檢定結(jié)果合格。那么問題何在呢？zui后，根據(jù)該支熱電偶的現(xiàn)場安裝特點(diǎn)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，上述問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量爐溫時(shí)，當(dāng)熱電偶中間部位有超過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，用熱電偶測溫只與測量端與參考端兩端溫度有關(guān)，與中間溫度分布無關(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，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中有分流誤差出現(xiàn)。

表1鎧裝熱電偶產(chǎn)生分流誤差的條件