熱電偶測量誤差分析

摘要:從實(shí)際應用出發(fā),簡(jiǎn)述了塞貝克效應、珀爾帖效應和湯姆遜效應，闡述了熱電偶產(chǎn)生熱電勢必須具備的條件。從插入深度的影響、響應時(shí)間的影響、絕緣電阻的影響、熱輻射的影響、熱電阻的影響、補償導線(xiàn)的影響、不均勻熱電勢的影響、干擾引起的誤差等八個(gè)方面詳細分析了對熱電偶測量誤差的影響。因為熱電偶的安裝容易被忽視，所以文章也介紹了安裝位置、安裝方式所帶來(lái)的測量誤差及需要注意的事項。根據實(shí)際使用情況，指出了公司熱處理爐所使用的熱電偶存在的問(wèn)題并提出了改進(jìn)意見(jiàn)。
0引害
　　熱電效應理論得到了不斷的發(fā)展，并日趨完善。熱電偶是熱電效應的具體應用之一，它廣泛地應用于溫度的測量與控制，可以在-200~2300℃溫度內進(jìn)行測量，具有性能穩定、正確可靠、結構簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，它雖然結構簡(jiǎn)單但在安裝使用時(shí)必須遵循相應的技術(shù)規定，否則，會(huì )引起較大的測量誤差，造成測溫不準，降低熱電偶使用壽命。車(chē)間熱處理爐就是使用熱電偶進(jìn)行測溫，測溫精度對產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要，對操作人員、拆裝人員、維保人員和相關(guān)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，了解影響熱電偶測溫不正確的各種因素是非常必要的。因此，對熱電偶的工作原理、影響熱電偶測量誤差的主要因素及安裝注意事項進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，希望能對相關(guān)人員有所幫助，對提高公司產(chǎn)品質(zhì)量起到作用。
1熱電偶工作原理
1.1塞貝克效應
　　在1821年，塞貝克發(fā)現，用兩種不同材質(zhì)的金屬兩端彼此相聯(lián)，組成一個(gè)閉合的回路(如圖1)，通過(guò)對一連接端加熱時(shí)，由于兩連接端產(chǎn)生了溫度差，這時(shí)回路就會(huì )產(chǎn)生電流，這一現象稱(chēng)為溫差電效應或塞貝克效應，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢稱(chēng)為溫差熱電動(dòng)勢或塞貝克電動(dòng)勢。
 
1.2珀爾帖效應
　　在1834年，珀爾帖發(fā)現，當用外部直流電源向熱電偶回路輸送電流時(shí)，兩接點(diǎn)處的溫度就會(huì )發(fā)生變化，一個(gè)接點(diǎn)吸熱，另-一個(gè)接點(diǎn)放熱，這一-現象稱(chēng)為珀爾帖效應。
 
　　如圖2所示，這種由于兩種導體自由電子密度不同而在接觸處形成的熱電動(dòng)勢稱(chēng)為珀爾帖電勢。
1.3湯姆遜效應
　　1851年，英國物理學(xué)家湯姆遜在實(shí)驗中發(fā)現“在同.金屬材料中，隨著(zhù)電流的方向不同(從金屬熱端到冷端或從金屬冷端到熱端)，所產(chǎn)生的熱效應也不同。”這一效應稱(chēng)為湯姆遜效應。如圖3,在-.根均質(zhì)的導體上，如果存在溫度梯度，那么也會(huì )產(chǎn)生電動(dòng)勢，稱(chēng)為湯姆遜電勢。
 
　　由此可見(jiàn)，熱電偶的工作原理是由于兩種不同材質(zhì)的金屬相互連接構成閉合回路,而連接的兩端存在溫度差異，從而在閉合回路中產(chǎn)生熱電勢，所產(chǎn)生的熱電勢與溫度差成比例關(guān)系，通過(guò)對熱電勢的測量可計算出溫度差，一端溫度恒定,從而得出被測量介質(zhì)的溫度。
3測量誤差的主要來(lái)源
3.1插入深度的影響
　　由熱電偶工作原理可知，其測溫時(shí)，因連接的兩端存在溫度差，從而在閉合回路中產(chǎn)生熱電勢，在其縱向方向會(huì )產(chǎn)生熱流，當兩端的溫差較大時(shí)，會(huì )產(chǎn)生熱損耗，將導致熱電偶測量溫度比實(shí)際被測溫度偏低，產(chǎn)生測量誤差。因熱損耗引起的測量誤差，與熱電偶的插入深度、熱電偶保護管材質(zhì)、被測對象狀態(tài)緊密相關(guān)，為了減少熱損耗帶來(lái)的誤差，若金屬保護管由于其絕熱性能差而導熱性能好，可插入深一些(一般為保護管直徑的15~20倍);若非金屬保護管,由于其導熱性能差而絕熱性能好，則可插入淺一些(一般為保護管直徑的10~15倍);被測對象為流動(dòng)的液體或高速氣流，其溫度測量則可插入淺一些，具體數值可根據實(shí)際測量試驗來(lái)確定，以精度最高為宜。
3.2響應時(shí)間的影響
　　熱電偶的熱響應時(shí)間常數是指當被測介質(zhì)溫度發(fā)生變化時(shí)，熱電偶所測溫度達到被測介質(zhì)實(shí)際溫度的63.2%所需的時(shí)間。實(shí)踐證明，時(shí)間常數越小，則熱惰性小、動(dòng)態(tài)誤差小、響應速度快。實(shí)際測量時(shí)，為了讓測量的溫度接近被測溫度，則需要保持一定時(shí)間，使得.測溫熱電偶與被測的對象溫度達到熱平衡后，才能正式讀取或采集溫度值。熱響應時(shí)間是表示熱電偶響應快慢的一-個(gè)特性參數，它主要取決于熱電偶的結構、尺寸、材料及測量條件。若被測介質(zhì)為靜止氣體，由20℃達到400℃時(shí)的測量，一般需要保持15min左右溫度才能達到平衡;若被測介質(zhì)為液體，一.般需要保持5min以上溫度才能達到平衡。
　　熱電偶測溫響應時(shí)間與熱電偶的測量端直徑有關(guān)，熱電偶偶絲越細，則其直徑越小，響應時(shí)間就越短。如果測溫環(huán)境允許，也可不加保護管。
3.3絕緣電阻的影響
　　鎧裝熱電偶測溫時(shí)，由于氧化物的電阻率在高溫下與溫度成反比，而電阻率與電阻是成正比，因此溫度越高氧化物的電阻率會(huì )越低，則熱電偶的絕緣電阻也越低，因是并聯(lián)關(guān)系越容易產(chǎn)生分流，產(chǎn)生測量誤差，這是熱電偶絕緣電阻分流造成的誤差，稱(chēng)為分流誤差。由于鎧裝熱電偶的絕緣物是粉末狀氧化鎂，當中間部位溫度較高時(shí)有漏電流產(chǎn)生，應加大鎧裝熱電偶的直徑,增加絕緣體厚度，以減少絕緣電阻帶來(lái)的誤差，否則選擇普通型熱電偶。
3.4熱輻射的影響
　　熱電偶用于加溫爐測溫時(shí)，爐內高溫物體發(fā)出的熱輻射會(huì )對熱電偶加熱，當熱電偶與加溫爐爐壁的溫度差比較高時(shí)，由于熱交換，會(huì )使熱電偶的測量產(chǎn)生誤差,為了減少熱輻射對測量產(chǎn)生的影響，一般采取加大熱傳導和加強氣體的對流，使熱電偶的溫度與加熱爐爐壁的溫度盡量接近，在熱電偶安裝時(shí)，盡量遠離可能產(chǎn)生熱輻射的固體物質(zhì)，對熱電偶可采取加裝熱輻射屏蔽罩等方式進(jìn)行屏蔽。
3.5熱電阻的影響
　　熱電偶長(cháng)期使用，其保護套管處表面會(huì )附著(zhù)灰塵和氧化物，在高溫時(shí)會(huì )產(chǎn)生熱電阻，由于電阻的增大,不僅會(huì )增加熱電偶的響應時(shí)間，還會(huì )造成示值溫度偏低，對水平安裝的熱電偶產(chǎn)生的影響更加明顯。因此，除了定期檢定外還應定期檢查并清理，以保持熱電偶保護管外部的清潔。
3.6補償導線(xiàn)的影響
　　必須正確選擇熱電偶補償導線(xiàn)并按規定要求使用，否則會(huì )帶來(lái)誤差，熱電偶補償導線(xiàn)的選擇應與熱電偶分度號一致，在同一溫度環(huán)境并在規定的使用溫度(普通補償導線(xiàn)小于100℃,耐熱型補償導線(xiàn)小于200C)下使用，補償導線(xiàn)的正負極和電熱偶的正負極要一一對應，切勿將其極性接反，補償導線(xiàn)極性接錯時(shí)，不僅不能起到參考端補償作用，相反會(huì )產(chǎn)生更大的誤差，這種誤差是不進(jìn)行參考端補償所產(chǎn)生誤差的兩倍。
3.7不均勻熱電勢的影響
　　當熱電偶處于溫度梯度的溫場(chǎng)中，而熱電極材料是不均勻的，則在熱電偶回路里便會(huì )產(chǎn)生附加電勢(稱(chēng)為湯姆遜電勢)，這種附加電勢也稱(chēng)為不均勻電勢，它會(huì )改變熱電偶的熱電特性，產(chǎn)生測量誤差。產(chǎn)生熱電偶不均勻熱電勢的因素主要有:
①熱電極材質(zhì)本身不均勻;
②加工時(shí)造成的不均勻:
③用過(guò)程中的局部拉伸、彎曲變形造成的不均勻:
④在高溫使用過(guò)程中，被測介質(zhì)、絕緣材料等對熱電偶的局部玷污、滲透、腐蝕或晶格結構的改變,造成的不均勻。
3.8干擾引起的誤差
　　當溫度高時(shí)，加熱爐的耐熱保溫層和熱電偶的絕緣材料的絕緣性能會(huì )降低，使其具有了一定的導電性能，這時(shí)加熱電源會(huì )經(jīng)其泄露到熱電偶電極上，產(chǎn)生漏電干擾:若熱電偶周?chē)惭b有大功率電動(dòng)設備、變壓器、動(dòng)力電源線(xiàn)纜時(shí)，由于電流大、電壓高，在其周?chē)鷷?huì )產(chǎn)生較強的磁場(chǎng)、電場(chǎng)或較大的地電流，從而在熱電偶測量回路中產(chǎn)生干擾電動(dòng)勢，對測量結果帶來(lái)測量誤差，甚至會(huì )造成測量結果的嚴重失真。
干擾通常分為線(xiàn)間干擾和對地干擾，可采用老式晶體管電壓表來(lái)測量，線(xiàn)間干擾電壓一般可達到幾毫伏到幾十毫伏，而對地干擾則可達到幾伏到一百伏。因此，熱電偶在選擇、安裝、使用時(shí)要特別注意，避免漏電、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、地電流等帶來(lái)的干擾，保證測量結果的真實(shí)可靠性。
4熱電偶安裝
4.1安裝位置
　　根據生產(chǎn)工藝對溫度的測量與控制要求，使用熱電偶來(lái)實(shí)現對溫度的測量與控制，其測溫點(diǎn)的選擇必須能真實(shí)正確反映該工藝參數，通常應從以下幾點(diǎn)來(lái)確定:
①測溫點(diǎn)要選擇生產(chǎn)產(chǎn)品加溫的位置且在溫度比較均勻、與被測介質(zhì)要能接觸充分的地方，測量流動(dòng)介質(zhì)溫度時(shí)，測溫點(diǎn)應選在介質(zhì)正常流動(dòng)的區域，測量固體溫度時(shí)，測溫點(diǎn)應選在被測物體表面且接觸緊密。對測溫點(diǎn)周?chē)臏囟缺M可能控制其變化，以減小導熱帶來(lái)的誤差。
②熱電偶的安裝位置要遠離加熱源或爐門(mén)。
③其周?chē)粦袕婋姶艌?chǎng)、各種電源及動(dòng)力線(xiàn)纜等，如若不能避開(kāi)，應采取加裝屏蔽罩等防護措施，避免電磁場(chǎng)等因素干擾，減少測量誤差。
④熱電偶冷端通常應控制在100C以下，常溫為最佳。
4.2安裝方式
　　熱電偶安裝方式通常有水平安裝、垂直安裝和傾斜安裝三種。
①水平安裝，因灰塵、氧化物等雜質(zhì)容易積聚在熱電偶保護套管表面，使用時(shí)，一般情況不會(huì )經(jīng)常進(jìn)行清理，則不僅會(huì )影響測量響應時(shí)間，還會(huì )使測量結果偏小，動(dòng)態(tài)性能下降。
②垂直安裝，可最大限度減少灰塵、氧化物等雜質(zhì)的積聚，避免外來(lái)因素的干擾，最大限度提高其測量精.度和動(dòng)態(tài)性能，是熱電偶測溫首選的安裝方式。
③傾斜安裝，在測量管道中流體溫度時(shí)常用，一般采用45°角安裝為最佳。
熱電偶用于加熱爐測溫時(shí)，其與安裝孔間存在的空隙，必須使用石棉繩或耐火泥等絕熱材料密封，以減少.爐膛內、外空氣對流產(chǎn)生的誤差,從而提高測量精度。
5結語(yǔ)
　　熱處理爐爐溫測量時(shí)使用四根熱電偶測量，其長(cháng)度700mm，水平安裝。根據.上述的分析，目前存在的問(wèn)題:①插入深度沒(méi)有限制裝置，有隨意性:②水平安裝，未對維護保養進(jìn)行明確規定，沒(méi)有定期進(jìn)行清理:③熱電偶保護套管和爐壁孔.間的空隙未用石棉繩或耐火泥等絕熱材料密封。建議設置插入深度限制裝置，由于采用金屬保護管，直徑φ20mm,其最佳插入深度應為300~400mm,限制裝置的設置應根據爐子壁厚、彈簧托板放置位置，插入深度選擇合適的熱電偶長(cháng)度和限制位置，盡量滿(mǎn)足.300~400mm的要求:明確維護保養要求進(jìn)行定期清理，因不能垂直安裝，或改為傾斜45°安裝:保護套管和爐壁孔間的空隙采用石棉繩或耐火泥等絕熱材料對其加以密封，以提高爐溫的測量精度，保證爐溫測量的正確可靠，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。