K分度熱電偶溫度傳感器

熱電偶溫度傳感器相關(guān)一、熱電偶溫度傳感器介紹溫差熱電偶（簡(jiǎn)稱熱電偶）是目前溫度測(cè)量中使用最普遍的傳感元件之一。它除具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小，輸出信號(hào)為電信號(hào)便于遠(yuǎn)傳或信號(hào)轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)外，還能用來(lái)測(cè)量流體的溫度、測(cè)量固體以及固體壁面的溫度。微型熱電偶還可用于快速及動(dòng)態(tài)溫度的測(cè)量。二、熱電偶的測(cè)溫原理兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組合成如圖所示閉合回路，若導(dǎo)體A和B的連接處溫度不同（設(shè)T＞T0），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說(shuō)回路中有電動(dòng)勢(shì)存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。這種現(xiàn)象早在1821年首先由西拜克（See－back）發(fā)現(xiàn),所以又稱西拜克效應(yīng)。其原理圖見(jiàn)圖1所示。圖1熱電效應(yīng)原理圖回路中所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，叫熱電勢(shì)。熱電勢(shì)由兩部分組成，即溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)。接觸電勢(shì)接觸電勢(shì)原理圖見(jiàn)圖2所示。圖2接觸電勢(shì)原理圖其計(jì)算公式為：eAB(T)——導(dǎo)體A、B結(jié)點(diǎn)在溫度T時(shí)形成的接觸電動(dòng)勢(shì)；e——單位電荷，e=1.6×10-19C；k——波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K；NA、NB——導(dǎo)體A、B在溫度為T(mén)時(shí)的電子密度。接觸電勢(shì)的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。溫差電勢(shì)圖3溫差電勢(shì)原理圖其公式如下：eA(T，T0)——導(dǎo)體A兩端溫度為T(mén)、T0時(shí)形成的溫差電動(dòng)勢(shì)；T，T0——高低端的絕對(duì)溫度；σA——湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1℃時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)，例如在0℃時(shí)，銅的σ=2μV/℃。3.回路總電勢(shì)由導(dǎo)體材料A、B組成的閉合回路，其接點(diǎn)溫度分別為T(mén)、T0,如果T＞T0，則必存在著兩個(gè)接觸電勢(shì)和兩個(gè)溫差電勢(shì)，回路總電勢(shì)：NAT、NAT0——導(dǎo)體A在結(jié)點(diǎn)溫度為T(mén)和T0時(shí)的電子密度； NBT、NBT0——導(dǎo)體B在結(jié)點(diǎn)溫度為T(mén)和T0時(shí)的電子密度；σA、σB——導(dǎo)體A和B的湯姆遜系數(shù)。圖4回路總電勢(shì)根據(jù)電磁場(chǎng)理論得：由于NA、NB是溫度的單值函數(shù)：EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=f(T)-C=g(T)在工程應(yīng)用中，常用實(shí)驗(yàn)的方法得出溫度與熱電勢(shì)的關(guān)系并做成表格，以供備查。由公式可得：EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T)-EAB(0)-[EAB(T)-EAB(T0)]=EAB(T，0)-EAB(T0，0)熱電偶的熱電勢(shì)，等于兩端溫度分別為T(mén)和零度以及T0和零度的熱電勢(shì)之差。結(jié)論(4點(diǎn))：熱電偶回路熱電勢(shì)只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長(zhǎng)度、粗細(xì)無(wú)關(guān)；只有用不同性質(zhì)的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)才能組合成熱電偶；相同材料不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，因?yàn)楫?dāng)A、B兩種導(dǎo)體是同一種材料時(shí)，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0；只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同,熱電偶的兩導(dǎo)體材料不同時(shí)才能有熱電勢(shì)產(chǎn)生；導(dǎo)體材料確定后，熱電勢(shì)的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使EAB(T0)=常數(shù)，則回路熱電勢(shì)EAB(T，T0)就只與溫度T有關(guān)，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測(cè)溫的原理。對(duì)于有幾種不同材料串聯(lián)組成的閉合回路，接點(diǎn)溫度分別為T(mén)1、T2、…、Tn，冷端溫度為零度的熱電勢(shì)。其熱電勢(shì)為E=EAB（T1）+EBC（T2）+…+ENA（Tn）三、熱電偶回路的性質(zhì)1.均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論其導(dǎo)體是否存在溫度梯度，回路中沒(méi)有電流(即不產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì))；反之，如果有電流流動(dòng)，此材料則一定是非均質(zhì)的，即熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極。2.中間導(dǎo)體定律一個(gè)由幾種不同導(dǎo)體材料連接成的閉合回路，只要它們彼此連接的接點(diǎn)溫度相同，則此回路各接點(diǎn)產(chǎn)生的熱電勢(shì)的代數(shù)和為零。如圖5，由A、B、C三種材料組成的閉合回路，則圖5三種不同導(dǎo)體組成的熱電偶回路兩點(diǎn)結(jié)論：l）將第三種材料C接入由A、B組成的熱電偶回路，如圖，則圖a中的A、C接點(diǎn)2與C、A的接點(diǎn)3，均處于相同溫度T0之中，此回路的總電勢(shì)不變，即 EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）如果任意兩種導(dǎo)體材料的熱電勢(shì)是已知的，它們的冷端和熱端的溫度又分別相等，如圖所示，它們相互間熱電勢(shì)的關(guān)系為：EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu)熱電偶材料應(yīng)滿足：物理性能穩(wěn)定，熱電特性不隨時(shí)間改變；化學(xué)性能穩(wěn)定，以保證在不同介質(zhì)中測(cè)量時(shí)不被腐蝕；熱電勢(shì)高，導(dǎo)電率高，且電阻溫度系數(shù)小便于制造；復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)。熱電偶常用材料鉑—鉑銠熱電偶(S型)分度號(hào)LB—3工業(yè)用熱電偶絲：Φ0.5mm，實(shí)驗(yàn)室用可更細(xì)些。正極：鉑銠合金絲,用90％鉑和10％銠(重量比)冶煉而成。負(fù)極：鉑絲。測(cè)量溫度：長(zhǎng)期：1300℃、短期：1600℃。特點(diǎn)：材料性能穩(wěn)定，測(cè)量準(zhǔn)確度較高；可做成標(biāo)準(zhǔn)熱電偶或基準(zhǔn)熱電偶。用途：實(shí)驗(yàn)室或校驗(yàn)其它熱電偶。測(cè)量溫度較高，一般用來(lái)測(cè)量1000℃以上高溫。在高溫還原性氣體中（如氣體中含Co、H2等）易被侵蝕，需要用保護(hù)套管。材料屬貴金屬，成本較高。熱電勢(shì)較弱。鎳鉻—鎳硅(鎳鋁)熱電偶(K型)分度號(hào)EU—2工業(yè)用熱電偶絲：Φ1.2~2.5mm，實(shí)驗(yàn)室用可細(xì)些。正極：鎳鉻合金(用88.4～89.7％鎳、9～10％鉻，0.6％硅，0.3％錳，0.4～0.7％鈷冶煉而成)。負(fù)極：鎳硅合金(用95.7～97％鎳,2～3％硅,0.4～0.7％鈷冶煉而成)。測(cè)量溫度：長(zhǎng)期1000℃，短期1300℃。特點(diǎn)：價(jià)格比較便宜，在工業(yè)上廣泛應(yīng)用。高溫下抗氧化能力強(qiáng)，在還原性氣體和含有SO2，H2S等氣體中易被侵蝕。復(fù)現(xiàn)性好，熱電勢(shì)大，但精度不如WRLB。鎳鉻—考銅熱電偶(E型)分度號(hào)為EA—2工業(yè)用熱電偶絲:Ф1.2～2mm，實(shí)驗(yàn)室用可更細(xì)些。正極：鎳鉻合金。負(fù)極：考銅合金（用56％銅，44％鎳冶煉而成）。測(cè)量溫度：長(zhǎng)期600℃，短期800℃。特點(diǎn)：價(jià)格比較便宜，工業(yè)上廣泛應(yīng)用。在常用熱電偶中它產(chǎn)生的熱電勢(shì)最大。氣體硫化物對(duì)熱電偶有腐蝕作用?？笺~易氧化變質(zhì)，適于在還原性或中性介質(zhì)中使用。鉑銠30—鉑銠6熱電偶(B型)分度號(hào)為L(zhǎng)L—2正極：鉑銠合金（用70％鉑，30％銠冶煉而成）。負(fù)極：鉑銠合金（用94％鉑，6％銠冶煉而成）。測(cè)量溫度：長(zhǎng)期可到1600℃，短期可達(dá)1800℃。特點(diǎn)：材料性能穩(wěn)定，測(cè)量精度高。還原性氣體中易被侵蝕。低溫?zé)犭妱?shì)極小，冷端溫度在50℃以下可不加補(bǔ)償。成本高。幾種持殊用途的熱電偶（1）銥和銥合金熱電偶如銥50銠—銥10釕熱電偶它能在氧化氣氛中測(cè)量高達(dá)2100℃的高溫。（2）鎢錸熱電偶是60年代發(fā)展起來(lái)的，是目前一種較好的高溫?zé)犭娕?，可使用在真空惰性氣體介質(zhì)或氫氣介質(zhì)中，但高溫抗氧能力差。國(guó)產(chǎn)鎢錸-鎢錸20熱電偶使用溫度范圍300～2000℃分度精度為1％。（3）金鐵—鎳鉻熱電偶主要用在低溫測(cè)量，可在2～273K范圍內(nèi)使用，靈敏度約為10μV／℃。（4）鈀—鉑銥15熱電偶是一種高輸出性能的熱電偶，在1398℃時(shí)的熱電勢(shì)為47.255mV，比鉑—鉑銠10熱電偶在同樣溫度下的熱電勢(shì)高出3倍，因而可配用靈敏度較低的指示儀表，常應(yīng)用于航空工業(yè)。（5）鐵—康銅熱電偶，分度號(hào)TK靈敏度高，約為53μV/℃，線性度好，價(jià)格便宜，可在800℃以下的還原介質(zhì)中使用。主要缺點(diǎn)是鐵極易氧化，采用發(fā)藍(lán)處理后可提高抗銹蝕能力。6）銅—康銅熱電偶，分度號(hào)MK熱電偶的熱電勢(shì)略高于鎳鉻-鎳硅熱電偶，約為43μV/℃。復(fù)現(xiàn)性好，穩(wěn)定性好，精度高，價(jià)格便宜。缺點(diǎn)是銅易氧化，廣泛用于20K～473K的低溫實(shí)驗(yàn)室測(cè)量中。2.常用熱電偶的結(jié)構(gòu)類(lèi)型a．工業(yè)用熱電偶圖6為典型工業(yè)用熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖。它由熱電偶絲、絕緣套管、保護(hù)套管以及接線盒等部分組成。實(shí)驗(yàn)室用時(shí)，也可不裝保護(hù)套管，以減小熱慣性。圖6工業(yè)熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖1－接線盒；2－保險(xiǎn)套管3―絕緣套管4―熱電偶絲b．鎧裝式熱電偶（又稱套管式熱電偶）斷面如圖7所示。它是由熱電偶絲、絕緣材料，金屬套管三者拉細(xì)組合而成一體。又由于它的熱端形狀不同，可分為四種型式如圖。優(yōu)點(diǎn)是小型化（直徑從12mm到0.25mm）、壽命、熱慣性小，使用方便。測(cè)溫范圍在1100℃以下的有：鎳鉻—鎳硅、鎳鉻—考銅鎧裝式熱電偶。圖7鎧裝式熱電偶斷面結(jié)構(gòu)示意圖1—

金屬套管;2—絕緣材料;3—熱電極(a)—碰底型;(b)—不碰底型;(c)—露頭型;(d)—帽型五、熱電偶的選擇、安裝使用和校驗(yàn)1.熱電偶的選擇、安裝使用熱電偶的選用應(yīng)該根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的溫度、壓力、介質(zhì)性質(zhì)、測(cè)溫時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)選擇熱電偶和保護(hù)套管。其安裝地點(diǎn)要有代表性，安裝方法要正確，圖8是安裝在管道上常用的兩種方法。在工業(yè)生產(chǎn)中，熱電偶常與毫伏計(jì)連用（XCZ型動(dòng)圈式儀表）或與電子電位差計(jì)聯(lián)用，后者精度較高，且能自動(dòng)記錄。另外也可通過(guò)與溫度變送器經(jīng)放大后再接指示儀表，或作為控制用的信號(hào)。圖8熱電偶安裝圖2.熱電偶的定期校驗(yàn)校驗(yàn)的方法是用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被校驗(yàn)熱電偶裝在同一校驗(yàn)爐中進(jìn)行對(duì)比，誤差超過(guò)規(guī)定允許值為不合格。圖為熱電偶校驗(yàn)裝置示意圖，最佳校驗(yàn)方法可由查閱有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)獲得。工業(yè)熱電偶的允許偏差，見(jiàn)表1。表1工業(yè)熱電偶允許偏差六、熱電偶常見(jiàn)故障誤差分析以及解決方案正確使用熱電偶不但可以準(zhǔn)確得到溫度的數(shù)值，保證產(chǎn)品合格，而且還可節(jié)省熱電偶的材料消耗，既節(jié)省資金又能保證產(chǎn)品質(zhì)量。如果安裝不正確，會(huì)產(chǎn)生熱導(dǎo)率和時(shí)間滯后等誤差，它們是熱電偶在使用中的主要誤差。1.安裝不當(dāng)引入的誤差熱電偶不應(yīng)裝在太靠近門(mén)和加熱的地方，插入的深度至少應(yīng)為保護(hù)管直徑的8～10倍，安裝的位置及插入深度不能反映爐膛的真實(shí)溫度。熱電偶的保護(hù)套管與壁間的間隔未填絕熱物質(zhì)，致使?fàn)t內(nèi)熱溢出或冷空氣侵入，因此熱電偶保護(hù)管和爐壁孔之間的空隙應(yīng)用耐火泥或石棉繩等絕熱物質(zhì)堵塞，以免冷熱空氣對(duì)流而影響測(cè)溫的準(zhǔn)確性。熱電偶的安裝應(yīng)盡可能避開(kāi)強(qiáng)磁場(chǎng)和強(qiáng)電場(chǎng)，不應(yīng)把熱電偶和動(dòng)力電纜線裝在同一根導(dǎo)管內(nèi)以免引入干擾造成誤差。熱電偶不能安裝在被測(cè)介質(zhì)很少流動(dòng)的區(qū)域內(nèi)，當(dāng)用熱電偶測(cè)量管內(nèi)氣體溫度時(shí)，必須使熱電偶逆著流速方向安裝，而且充分與氣體接觸。2.絕緣變差而引入的誤差如熱電偶保護(hù)管和拉線板污垢或鹽渣過(guò)多致使熱電偶極間與爐壁間絕緣不良，在高溫下更為嚴(yán)重，這不僅會(huì)引起熱電勢(shì)的損耗而且還會(huì)引入干擾，由此引起的誤差有時(shí)可達(dá)上百度。3.熱惰性引入的誤差由于熱電偶的熱惰性使儀表的指示值落后于被測(cè)溫度的變化，在進(jìn)行快速測(cè)量時(shí)這種影響尤為突出。所以應(yīng)盡可能采用熱電極較細(xì)、保護(hù)管直徑較小的熱電偶。測(cè)溫環(huán)境許可時(shí)，甚至可將保護(hù)管取去。由于存在測(cè)量滯后，用熱電偶檢測(cè)出的溫度波動(dòng)的振幅較爐溫波動(dòng)的振幅小。測(cè)量滯后越大，熱電偶波動(dòng)的振幅就越小，與實(shí)際爐溫的差別也就越大。當(dāng)用時(shí)間常數(shù)大的熱電偶測(cè)溫或控溫時(shí)，儀表顯示的溫度雖然波動(dòng)很小，但實(shí)際爐溫的波動(dòng)可能很大。為了準(zhǔn)確地測(cè)量溫度，應(yīng)當(dāng)選擇時(shí)間常數(shù)小的熱電偶。時(shí)間常數(shù)與傳熱系數(shù)成反比，與熱電偶熱端的直徑、材料的密度及比熱成正比，如要減小時(shí)間常數(shù)，除增加傳熱系數(shù)以外，最有效的辦法是盡量減小熱端的尺寸。使用中，通常采用導(dǎo)熱性能好的材料，管壁薄、內(nèi)徑小的保護(hù)套管。在較精密的溫度測(cè)量中，使用無(wú)保護(hù)套管的裸絲熱電偶，但熱電偶容易損壞，應(yīng)及時(shí)校正及更換。4.熱阻誤差高溫時(shí)，如保護(hù)管上有一層煤灰，塵埃附在上面，則熱阻增加，阻礙熱的傳導(dǎo)，這時(shí)溫度示值比被測(cè)溫度的真值低。因此，應(yīng)保持熱電偶保護(hù)管外部的清潔，以減小誤差。七、測(cè)量誤差的主要影響因素1.插入深度的影響(1)測(cè)溫點(diǎn)的選擇熱電偶安裝位置，即測(cè)溫點(diǎn)的選擇是最重要的。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)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(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，插入可淺一些，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，最快也要在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1s，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。最好選擇響應(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。Δθ=Δθ0exp(-t/t)式中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或℃t——測(cè)量時(shí)間，sτ——時(shí)間常數(shù)，sε——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)象溫度以一定速度α(k/s或℃/s)上升或下降時(shí)，經(jīng)過(guò)足夠時(shí)間后，所產(chǎn)生的響應(yīng)誤差可用下式表示：Δθ∞=-ατ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(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(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(chē)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)(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，KTw——爐壁的溫度，K在單位時(shí)間內(nèi)，熱電偶同周?chē)臍怏w(溫度為T(mén))，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)(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)/αA(5)對(duì)于單位面積而言其誤差為T(mén)t-T=σε(Tt4-Tw4)/α(6)因此，為減少熱輻射誤差，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(kāi)從固體發(fā)出的熱輻射，使其不能輻射到熱電偶表面；熱電偶最好帶有熱輻射遮蔽套。4.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，不僅安裝有連續(xù)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。八、熱電偶測(cè)溫應(yīng)注意的事項(xiàng)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，確切地說(shuō)只能體現(xiàn)或主要體現(xiàn)出從測(cè)量端開(kāi)始300mm長(zhǎng)偶絲的熱電行為，然而當(dāng)熱電偶較長(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；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，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(mén)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(mén)檢定仍然合格，其中主要原因是偶絲不均質(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?？傊刹痪|(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。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(chǎng)考察，并未發(fā)現(xiàn)異常，且從爐子上取下來(lái)經(jīng)計(jì)量室檢定結(jié)果合格。那么問(wèn)題何在呢？最后，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℃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?，F(xiàn)象。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)。但因鎧裝熱電偶絕緣物是粉末狀MgO，溫度每升高100℃，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，使在熱電偶輸出電勢(shì)中有分流誤差出現(xiàn)。(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Φ4.8mm，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℃。這是絕對(duì)不能忽視的，分流誤差的產(chǎn)生條件與鎧裝熱電偶種類(lèi)和直徑等因素有關(guān)。3.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9m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Φ3.2mm鎧裝熱電偶將產(chǎn)生分流誤差。但對(duì)于Φ6.4mm及Φ8mm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Φ6.4mm(熱電極絲直徑為Φ1.4mm)與Φ8mm(熱電極絲直徑為Φ2.0mm)的鎧裝熱電偶，當(dāng)中間部位溫度為1100℃時(shí)，直徑為Φ8mm的鎧裝熱電偶產(chǎn)生的分流誤差僅為Φ6.4mm的一半。此數(shù)值(50%)近似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。(2)中間部位的溫度如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，其他部位應(yīng)盡可能避免超過(guò)800℃。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，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電阻率將隨溫度升高呈指數(shù)降低，分流誤差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。如上述措施無(wú)效時(shí)，只好采用裝配式熱電偶。4.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K狀態(tài)。它是Ni-Cr合金特有的晶格變化，當(dāng)Cr含量在5～30%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)偏差最大可達(dá)4℃，在350～600℃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，又恰好處于K狀態(tài)誤差最大范圍。因此，對(duì)該點(diǎn)判定合格與否時(shí)應(yīng)很慎重。Ni-Cr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，但作為變化量E型熱電偶僅為K型的2/3?？傊?，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)。5.使用氣氛的影響(1)選擇性氧化對(duì)于含F(xiàn)e的Ni-Cr合金，如氧分壓低于特定值，則同O2親和力大的Cr將發(fā)生選擇性氧化，這是Ni-Cr合金特有的晶界氧化。如用顯微鏡觀察外表面氧化層，可看到綠色析出物，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。如采用的氣體很純，且系統(tǒng)中不含氧，可延長(zhǎng)熱電偶使用壽命；可如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)度與直徑較大時(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)策為防止或減緩K型熱電偶因選擇性氧化而引起劣化，除在材質(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：(a)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，也可采用增加保護(hù)管直徑或吹氣的方法增加氧含量。(b)裝配式熱電偶實(shí)體化。作者開(kāi)發(fā)的專(zhuān)利產(chǎn)品—實(shí)體型滲碳爐用熱電偶，即開(kāi)發(fā)出具有密封結(jié)構(gòu)的裝配式熱電偶，可防止Cr發(fā)生選擇性氧化，經(jīng)瓦軸集團(tuán)、一汽、二汽、易普森工業(yè)爐、沈重、沈齒、錢(qián)江摩托等十幾家企業(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，對(duì)同一種傳感器，如K型熱電偶的最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。在選擇熱電偶時(shí)，必須針對(duì)使用條件考慮：常用溫度及最高使用溫度；氧化還原等使用氣氛；抗振動(dòng)性能。對(duì)于裝配式熱電偶而言，氣氛的影響，首先取決于保護(hù)管材質(zhì)及熱電偶結(jié)構(gòu)，因此，熟悉、掌握各種保護(hù)管材料的物理、化學(xué)性能是很必要的。例如：在粉末冶金行業(yè)中，常用鉬管作為熱電偶保護(hù)管，在1600℃的H2氣氛下，使用效果較好。然而，鉬管在氧化性氣氛下，很短時(shí)間就因氧化而蝕損。其次，應(yīng)根據(jù)使用氣氛，選擇合適的熱電偶，在1300℃以上的氧化性氣氛中，選擇鉑銠熱電偶，在還原性、真空條件下采用鎢錸熱電偶較