不均勻溫度場(chǎng)對熱電偶測溫的影響

摘要:論述了不均勻溫度場(chǎng)產(chǎn)生的原因,闡述了測量端接點(diǎn)及熱電極不均勻性的影響。
一、前言
　　熱電偶是工業(yè)上應用最廣泛的一種測溫元件,熱電偶標準化的共有七種。我公司作為鋁、鎂合金加工企業(yè),熱處理是整個(gè)工藝過(guò)程中較為重要的環(huán)節,也就是說(shuō)溫度量控制與檢測正確與否直接影響著(zhù)產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。從測溫范圍來(lái)講屬于中低溫區，常用的熱電偶為K型鎳鉻-鎳硅熱電偶。從熱處理爐的檢測、控制與測試過(guò)程中，爐內溫度存在著(zhù)--定的溫度梯度，由于該現象的存在直接影響其檢測控制精度。
二、熱電偶的工作原理
　　兩種不同性質(zhì)的導體A和B在兩個(gè)端點(diǎn)處連接起來(lái)形成-一個(gè)閉合回路。設兩接點(diǎn)溫度為t和to,如圖1所示。當t和to不相等,且假設t>t0時(shí),回路中有電動(dòng)勢EA(t,t0),產(chǎn)生這一現象稱(chēng)為熱電效應或塞貝克效應。所產(chǎn)生的電動(dòng)勢也稱(chēng)塞貝克電勢。圖1
 
　　塞貝克電勢實(shí)際是由接觸電勢和溫差電勢兩部分所組成?；芈分锌偟臒犭妱軪AB(t,t0)為:
EAB(t,t0)-EAB(t)-EA(t,to)+EB(t,t0)-EAB(t0)
式中:
EAB(t)、EAB(t0)一-溫度分別t,t0時(shí)AB之間的接觸電勢
EA(t,t0)、EB(t,t0)--AB電極在兩端溫度分別為t,t0時(shí)各自所產(chǎn)生的溫差電勢
　　當熱點(diǎn)偶材料確定后,一般認為熱電極是均勻的,總電勢只與材料的電子密度有關(guān),而電子密度不僅取決于兩種材料特性且隨溫度變化而變化,所以材料成分一定時(shí)，總熱電勢只與溫度t和t0有關(guān),這樣　EAB(t,t0)與被測溫度T就有單值函數關(guān)系,稱(chēng)為熱電偶的熱電特性。由此可知,熱電偶產(chǎn)生熱電勢只與兩接點(diǎn)溫度有關(guān),與導體截面面積及長(cháng)度無(wú)關(guān),也與熱電極的溫度分布無(wú)關(guān)。下面具體探討工業(yè)爐不均勻溫度場(chǎng)給熱電偶可能帶來(lái)的影響。
三、產(chǎn)生不均勻溫度場(chǎng)的原因
　　從工業(yè)爐種類(lèi)、類(lèi)型看可分為各種不同的級別。如從控制精度傳遞介質(zhì),不同溫度范圍可分中低溫爐,從熱處理過(guò)程可分為淬火爐、退火爐、均熱爐、熔煉爐、加熱爐。不論是何種系列的爐子,均勻溫度量作為主要控制參數。熱力學(xué)第二定律說(shuō)明了熱量在傳導過(guò)程中，即高溫向低溫傳導或低溫向高溫傳導,均要受到影響。也就是說(shuō),凡是有溫差存在的地方就會(huì )有熱傳導過(guò)程。熱交換過(guò)程可分為三種基本形式:熱傳導、對流換熱、熱輻射,單純的導熱現象只能發(fā)生在固體中,在液體或氣體中會(huì )同時(shí)發(fā)生導熱對流和輻射。
　　工業(yè)爐由于絕熱材料性能不同,被加熱部件形狀大小不同，爐內熱傳導介質(zhì)循環(huán)狀態(tài)不同，被加熱介質(zhì)的狀態(tài)不同,均影響著(zhù)爐內溫度分布,使溫度場(chǎng)存在著(zhù)溫度梯度,即爐內溫度空間分布存在不同的等溫面。由于爐內溫度場(chǎng)擾動(dòng)源較多,其內溫度變化會(huì )出現不均勻性。由于不均勻性溫度場(chǎng)的出現直接影響著(zhù)熱電偶的測溫精度。.
四、測端接點(diǎn)的影響
　　熱電偶測量端的構成方式有焊接.鉚接、壓接等多種形式。實(shí)際操作時(shí),測量端出現了第三種金屬,如兩個(gè)熱電極的焊點(diǎn)就是另一種金屬,所以測量時(shí)應保證測量端溫度-致,以避免出現測量誤差。
　　當焊接、鉚接、壓接所制作的熱電偶其回路均可加入第三種金屬，如圖二所示,其回路總電勢EABC((t,t0)為
 
　　存在著(zhù)附加熱電勢,即引入中間金屬導體后,對回路總電勢產(chǎn)生影響。
　　測量端接點(diǎn)形式各不相同,所產(chǎn)生誤差因素也不同,熱電偶回路中接入第三種金屬兩端溫度相同,且總回路熱電勢大小和方向不受影響,如液態(tài)金屬保證了第三種金屬溫度-致,小焊點(diǎn)接觸點(diǎn)小,可認為是處于等溫狀態(tài),在焊接、鉚接、壓接時(shí),應使兩電極盡量接近,接點(diǎn)盡量小,以減少受測量處溫度梯度的影響。為了減少熱電偶絲導熱引起被測量表面溫度場(chǎng)的變化應沿等溫面或等溫線(xiàn)輻射。
五、熱電極不均勻的影響
　　一般把沿電極絲長(cháng)度方向的物理、化學(xué)性能的變化叫做熱電極的不均勻性,可分為延伸型和局部型。延伸型的不均勻性表現為在不長(cháng)的熱電極.上的熱電特性的逐漸變化，產(chǎn)生的原因是控制過(guò)程不均勻,局部不均性表現為在不長(cháng)的熱電極上的熱點(diǎn)特性的突然變化沒(méi)有一定的規律性,產(chǎn)生的原因是材料存在著(zhù)雜質(zhì)結晶結構發(fā)生變化,加工局部硬化。
　　把不均勻的熱電極置于不均勻的溫度場(chǎng)中,會(huì )產(chǎn)生一個(gè)附加電勢,--般稱(chēng)之為不均勻熱電勢。熱電偶的塞貝克系數,即熱電率:de/dt
不均質(zhì)熱電偶塞貝克系數:
SABSABO+hAB
SAB-----不均質(zhì)熱電偶塞貝克系數
SABO------均質(zhì)熱電偶塞貝克系數
hAB------偶的不均勻度
熱電勢為E=Eo+△E
E0-----均質(zhì)熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢
△E-----熱電偶的不均質(zhì)誤差
　　熱電偶的熱電勢不僅取決于它的測量端和參考端的溫度值，而且與溫度沿著(zhù)熱電極的分布狀態(tài)有關(guān),熱電極的不均勻性越大,后者影響越顯著(zhù)。為了探討材料不均勻性的影響，選擇存在著(zhù)不均勻性問(wèn)題的K型熱電偶做實(shí)驗，實(shí)驗結果表明，接入300mm時(shí)爐溫為1000℃時(shí)產(chǎn)生誤差3.2℃,插入340mm時(shí)，誤差為I-4℃,說(shuō)明在溫度梯度越大時(shí),熱電偶的不均勻性誤差越大。
六、結束語(yǔ).
　　熱電偶采用焊接方式，其焊點(diǎn)質(zhì)量將直接影響測量溫度的可靠性和正確率,可以通過(guò)清洗退火的途徑,來(lái)降低熱電偶的不均質(zhì)誤差,清洗可清除電極表面的雜質(zhì).有機物和氧化物,退火可以消除內應力,使成分擴散而變均勻,退火應在均勻溫度場(chǎng)中退火,否則將會(huì )給熱電偶帶來(lái)延伸型的不均勻性。熱電偶兩電極的不均勻性效應可能是疊加的,也可能是相減的,因此,通過(guò)相應處理和選擇不均勻性的校正是可能的。