對熱電偶溫度計量誤差與修正方法的分析

1、113科技資訊工業(yè)技術(shù)工業(yè)上測量溫度用的感溫元件種類繁 多 , 熱電偶是其中應(yīng)用最廣泛一種。 由于其 具有結(jié)構(gòu)簡單、 使用方便、 測溫范圍廣和價 格 相 對 便 宜 等 優(yōu) 點(diǎn) , 所 以 在 溫 度 測 量 中 廣 泛應(yīng)用。 在實際工作中 , 我們利用熱電偶作 為 感 溫 元 件 , 當(dāng) 其 工 作 端 與 參 考 端 有 溫 差 時 , 熱 電 偶 將 產(chǎn) 生 熱 電 勢 , 通 過 與 測 量 電 勢 的 二 次 測 溫 儀 表 配 合 使 用 , 則 可 實 現(xiàn) 遠(yuǎn) 距 離 測 溫 。 由 于 熱 電 偶 自 身 存 在 眾 多 影 響 其 測 量 結(jié) 果 的 因 素 , 要 得 到

2、準(zhǔn) 確 測 量 結(jié) 果 , 就 必須對熱電偶性能及使用方法有一個正確 的了解。1 影響熱電偶測量準(zhǔn)確度因素及清除方法1. 1熱電偶熱電特性不穩(wěn)定所引起的誤差 及 消 除 方 法熱 電 偶 使 用 過 一 定 時 間 后 , 其 熱 電 特 性 將 會 發(fā) 生 變 化 , 如 果 變 化 顯 著 , 則 利 用 此 熱 電 偶 測 出 的 溫 度 將 遠(yuǎn) 遠(yuǎn) 偏 離 真 實 溫 度 。 影 響 熱 電 偶 穩(wěn) 定 性 的 主 要 因 素 有 :(1環(huán)境 對 熱 電 偶 電 極 的 玷 污 和 腐 蝕 ;(2熱 電 極 受 外 力 作 用 而 產(chǎn) 生 的 變 形 所 引 起 的 形 變 應(yīng) 力 ;

3、(3熱電極在高溫下晶粒長大 ;(4熱電極 在使用中發(fā)生氧化等。1. 2玷污與應(yīng)力的影響及消除方法熱 電 偶 在 生 產(chǎn) 過 程 中 , 偶 然 經(jīng) 過 多 道 縮 徑 拉 伸 , 不 可 避 免 存 在 應(yīng) 力 及 晶 格 不 均 勻性 , 可 以 通 過 退 火 的 方 法 來 基 本 消 除 , 退 火 不 合 格 所 造 成 的 誤 差 , 可 達(dá) 十 分 之 幾 度 到 幾 度 。 它 與 待 測 溫 度 及 熱 電 偶 電 極 上 的 溫 度 梯 度 大 小 有 關(guān) 。 廉 金 屬 熱 電 偶 的 偶 絲 通 常 以 “ 退 火 ” 狀 態(tài) 交 付 使 用 , 退 火 溫 度 應(yīng) 高

4、 于 其 使 用 溫 度 上 限 , 插 人 深 度 也 慶 大 于 實 際 使 用 的 深 度 。 貴 金 屬 熱 電 偶 則 必 須 認(rèn) 真清洗 (酸洗和四硼酸鈉清洗 和退火 , 以清 除熱電偶的玷污與應(yīng)力。 1. 3不均勻性的影響熱電偶的均勻性是指熱電偶熱電極材 料 的 均 勻 程 度 。 熱 電 偶 兩 熱 電 極 若 是 均 勻 的 , 則 熱 電 偶 回 路 的 熱 電 勢 只 與 兩 端 溫 度 差 有 關(guān) , 而 與 沿 熱 電 極 長 度 的 溫 度 梯 度 無 關(guān) , 若 兩 熱 電 極 材 料 不 均 勻 , 熱 電 偶 回 路 就 會 產(chǎn) 生 一 個 附 加 熱 電 勢

5、 。 從 而 降 低 了 測 溫 的 準(zhǔn) 確 性 , 產(chǎn) 生 測 量 誤 差 。1. 4減少熱電偶不穩(wěn)定性所帶來的誤差方 法熱 電 偶 在 測 溫 過 程 中 , 由 于 受 到 測 量 環(huán)境、 氣氛、 使用溫度以及保護(hù)管材料的玷 污 等 影 響 , 使 用 一 段 時 間 后 , 其 熱 電 特 性 將 會 發(fā) 生 變 化 , 尤 其 是 在 高 溫 、 腐 蝕 性 氣 氛 中。 這時經(jīng)常進(jìn)行監(jiān)督性校驗 , 或根據(jù)實際 使 用 情 況 安 排 周 期 檢 定 , 則 可 減 少 不 穩(wěn) 定 性 引 人 的 誤 差 。2 參考端溫度變化所引起的誤差及修正 方法熱 電 偶 只 有 在 參 考 端

6、 保 持 0 時 產(chǎn) 生 的 熱 電 勢 才 能 直 接 反 映 工 作 端 溫 度 。 在實 際使用熱電偶時 , 其冷端溫度 (參考端 不但 不為 0而且往往是變化的 , 測溫儀表所測 得 的 溫 度 值 就 會 產(chǎn) 生 很 大 誤 差 , 在 這 種 情 況下 , 我 們 通 常 采 用 如 下 方 法 來 修 正 。 2. 1補(bǔ)償導(dǎo)線采用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的參考端延長 到溫度較恒定的地方 , 再進(jìn)行修正。 其原理 如圖 1所示。此時參考端已變?yōu)橐粋€溫度不變或變化 很小的新參考端。 則熱電偶產(chǎn)生的熱電勢為 :(11000(T AB AB E E T T E T T =+、 此時的熱電偶產(chǎn)生熱

7、電勢已不受原參 考 端 溫 度 變 化 影 響 , (100AB E T T , 是 新 參 考 端 溫度 10T ( 0 , 且 10T 為 一 常 數(shù) 時 所 測 得 熱 電 勢 , (100AB E T T 是 參 考 端 溫 度 0T =0 , 工 作 端 為 10T 時 所 測 得 熱 電 勢 (熱 電 偶 分 度 表 中 可查出 。2. 2參考端溫度補(bǔ)償器其工作原理如圖 2所示。補(bǔ) 償 器 是 一 個 不 平 衡 電 橋 , 電 橋 的 三 個橋臂電阻是電阻溫度系數(shù)很小的錳銅絲 繞 制 的 。 其 阻 值 基 本 上 不 隨 溫 度 變 化 而 變 化 , 并 使 1231R R

8、R =。 另 一 個 橋 臂 電 阻 1R 是 由 電 阻 溫 度 系 數(shù) 較 大 的 銅 繞 制 而 成 , 并使其在 20時 111R R =, 此時電橋 平衡 , 沒 有 電 壓 輸 出 , 當(dāng) 電 橋 所 處 溫 度 發(fā) 生 變化時 , 1R 的阻值也隨之改變 , 于是就有不 平 衡 電 壓 輸 出 , 此 輸 出 電 壓 來 抵 消 參 考 端 溫度變化擊產(chǎn)生的熱電熱電勢誤差。3 熱電偶正確使用方法由 以 上 分 析 可 以 看 出 , 熱 電 偶 的 測 量 誤 差 不 僅 和 其 自 身 的 物 理 性 能 有 關(guān) , 還 與 其 使 用 方 法 是 否 正 確 有 關(guān) 。 熱

9、電 偶 安 裝 和 使 用 不 當(dāng) , 不 但 會 增 加 測 量 誤 差 , 還 可 降 低 熱電偶的使用壽命。 因此 , 根據(jù)測溫范圍和 工 作 環(huán) 境 , 正 確 安 裝 和 合 用 熱 電 偶 是 一 個 重要問題。(1熱 電 偶 應(yīng) 選 擇 合 適 的 安 裝 地 點(diǎn) 。 將 熱電偶裝于溫度較均勻且能代表工作溫度 地方。 不應(yīng)裝在加熱源太近的地方 , 應(yīng)盡可 能 避 開 強(qiáng) 磁 場 和 電 場 。 熱 電 偶 原 參 考 端 盡 量 避 免 溫 度 過 高 。(2熱 電 偶 插 人 溫 場 深 度 要 適 合 , 一 般 不應(yīng)小于 200mm 熱電偶保護(hù)管與爐壁之間 的 空 隙 ,

10、須 用 耐 火 泥 堵 塞 , 以 免 空 氣 對 流 影 響 測 溫 準(zhǔn) 確 性 。(3貴 金 屬 熱 電 偶 , 不 能 在 還 原 氣 體 中 測 溫 。(4在 小 直 徑 管 道 中 安 裝 熱 電 偶 時 , 熱 電 偶 工 作 端 一 般 迎 著 熱 流 方 向 , 在 大 直 徑 管道中安裝熱電偶時 , 熱電偶應(yīng)垂直管壁。(5熱 電 偶 應(yīng) 盡 可 能 保 持 垂 直 使 用 , 以 防保護(hù)管在高溫下變形。 若需水平安裝時 , 插 人 深 度 不 應(yīng) 大 于 500mm, 露 出 部 分 應(yīng) 采 用 架 子 托 牢 , 并 在 使 用 一 段 時 間 后 , 將 其 旋 轉(zhuǎn) 18

11、0。4 結(jié)語通 過 上 述 誤 差 來 源 的 綜 述 , 使 我 們 對 以熱電偶為感溫元件的溫度計量誤差情況 有 了 系 統(tǒng) 認(rèn) 識 , 得 出 了 如 下 結(jié) 論 :熱 電 偶 的 不穩(wěn)定性、 不均勻性、 參考端溫度變化以及 熱 電 偶 安 裝 使 用 不 當(dāng) 都 可 以 引 起 測 量 誤 差 , 還 使 我 們 了 解 到 要 想 提 高 溫 度 測 量 的 準(zhǔn) 確 應(yīng) 從 哪 些 方 面 考 慮 問 題 , 這 對 我 們 今 后的溫度計量工作十分有益。通過以上分析可以使我們對以熱電偶 為感溫元件的溫度計量誤差情況有了系統(tǒng) 認(rèn)識 , 得出了對熱電偶的不穩(wěn)定性、 不均勻 性、 參 考 端 溫 度 變 化 以 及 熱 電 偶 安 裝 使 用 不 當(dāng) 都 可 以 引 起 測 量 誤 差 , 還 使 我 們 了 解 到要想提高溫度測量的準(zhǔn)確應(yīng)從哪些方面 考 慮 問 題 , 這 些 都 是 對 我 們 今 后 的 溫 度 計 量 工 作 十 分 有 益 的 。對熱電偶溫度計量誤差與修正方法的分析蔡 錫 松(廣東省計量科學(xué)研究東莞分院 廣東東莞 5231