熱電偶溫度偏差及跳變問(wèn)題的處理

摘要:熱電偶是溫度測量中常用的溫度測量元件。它直接影響測量環(huán)境的溫度。它可以將溫度控制信號轉換成熱電動(dòng)勢信號，然后通過(guò)溫度測量?jì)x器轉換成被測物體的溫度。與其他溫度測量元件相比，熱電偶具有較高的測量精度，較寬的測量范圍，快速的響應速度，對溫度變化的靈活響應以及高達毫秒的響應時(shí)間。但是，在溫度測量過(guò)程中，它仍然會(huì )受到許多因素的影響，例如:測量環(huán)境溫度場(chǎng)，電磁干擾，安裝位置和深度，絕緣材料和保護管材料的選擇等，都可能影響最終測量效果。本文對熱電偶在實(shí)際工作溫度測量過(guò)程中的溫度偏差和跳變問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，并提出了相應的解決方案，為熱電偶在實(shí)際工作測量中的應用提供參考。
一、熱電偶測溫原理
　　熱電偶根據熱電效應來(lái)測量溫度。它是由具有不同成分的導體或半導體的兩端形成一個(gè)回路。當兩端都存在溫度梯度時(shí)，回路中將有電流順暢流動(dòng)。此時(shí)，在兩端之間存在電動(dòng)勢-熱電動(dòng)勢。在實(shí)際溫度測量過(guò)程中，一端斷開(kāi)，另一端焊接在一起。
二、熱電偶測溫偏差及跳變產(chǎn)生的原因
　　熱電偶測量過(guò)程可能受許多因素影響，或者可能是以下因素:
(一)熱電偶檢準、標定時(shí)引入的偏差
由于熱電偶已在實(shí)驗室中進(jìn)行了校準和校準，因此放置在實(shí)驗室中的平衡時(shí)間不足以避免因值變動(dòng)，校準人員的技術(shù)水平以及驗證系統維護不足而引起的偏差。這是原因。
(二)測量點(diǎn)的選取
　　熱電偶的位置和深度，即測量點(diǎn)的選擇非常重要。溫度測量點(diǎn)的位置應盡可能靠近要測量的溫度點(diǎn)。溫度測量點(diǎn)應避免強烈的電磁場(chǎng)干擾源，或者加熱設備不要太靠近。如果無(wú)法避免，則必須采取相應的措施。
(三)測量過(guò)程中是否受到滋擾
　　測量過(guò)程中遇到的煩人問(wèn)題主要是由于熱電偶內部和外部的環(huán)境原因。內部原因，不良的熱電偶絕緣會(huì )嚴重影響熱電偶測量。扭曲所測得的熱電勢以制造顯示設備，即使絕緣無(wú)法正常工作，扭曲也會(huì )因絕緣性能下降而引起各種偏離。例如，熱電極絕緣的瓷管的絕緣電阻較低，這會(huì )繞開(kāi)熱電流并導致測量偏差。保護管和端子的污染會(huì )導致絕緣不良和接觸不良，從而影響熱電偶的響應時(shí)間，還可能引起熱電偶干擾和溫度漂移。外部原因很容易受到變壓器，大功率電動(dòng)機，變頻器等的影響。我在一次分體式空調測試時(shí)，第一次沒(méi)有測量壓縮機溫度，所有溫度點(diǎn)都正常。在第二次測量壓縮機溫度時(shí)，沒(méi)有打開(kāi)壓縮機臺架，溫度點(diǎn)正常，當打開(kāi)壓縮機臺架后，很多溫度點(diǎn)產(chǎn)生了很大的波動(dòng)，特別是壓縮機段測溫點(diǎn)，當時(shí)檢查了所有熱電偶和設備，都是正常的，后來(lái)在壓縮機臺架變頻器內增加了濾波器，果然溫度都正常了。所以測量時(shí)一定要考慮環(huán)境中是否有干擾。
(四)熱惰性引入的偏差
　　這種環(huán)境相對復雜，并且與場(chǎng)景中的許多因素有關(guān)。因此，選擇產(chǎn)品時(shí)必須仔細考慮所有因素。因此，請使用熱電偶線(xiàn)較細且保護管直徑較小的熱電偶。如果情況允許，可以卸下保護管。由于測量的延遲，由熱電偶測量的溫度波動(dòng)將小于實(shí)際溫度波動(dòng)。滯后測量值越大，熱電偶波動(dòng)的幅度越小，實(shí)際溫差越大。當使用熱響應時(shí)間長(cháng)的熱電偶測量或控制溫度時(shí)，設備的溫度幾乎不受波動(dòng)的影響，但實(shí)際的環(huán)境溫度波動(dòng)可能會(huì )很大。為了測量溫度，該當選擇熱響應時(shí)間小的熱電偶。使用中，通常應采取導熱性能好、管壁薄、內徑小的保護層。如果需要快速，溫度測量，可以使用裸線(xiàn)熱電偶，但是裸線(xiàn)熱電偶很容易被污染和破壞，必須實(shí)時(shí)校準或更換。了解現場(chǎng)的所有關(guān)鍵點(diǎn)，了解測量要求并選擇合適的設備是現場(chǎng)操作員的責任。
(五)熱電極的玷污和腐蝕
　　熱電偶線(xiàn)細，軟且容易變形。如果熱電偶的塑性變形(例如不正確的彎曲或扭曲)引起熱電偶絲的變形應力，則熱電偶的熱電技術(shù)特性會(huì )發(fā)生變形，熱電偶也會(huì )發(fā)生變形。評估研究結果可能會(huì )產(chǎn)生影響。因此，測量前必然要把熱電偶絲拉直。當熱電偶絲被污染，乃至被氧化時(shí)，會(huì )使熱電極偶絲表面不光亮、發(fā)黑發(fā)暗。目前，用于熱電極的熱電材料的性能還不是很安全和穩定，并且測量系統的數據還相對不正確。因此，有必要清潔被污染的電極并去除這些被污染的物體。熱電偶絲表面污染的程度越大，熱電特性改變就越大，由此偏差就越大。
(六)補償不當引入的偏差
　　從熱電偶溫度測量原理可以看出，僅當熱電偶冷端的溫度穩定時(shí)，熱電勢才能與測得的溫度對應1∶1。在實(shí)際使用中，熱電偶放置在現場(chǎng)設備上，其冷端暴露在空氣中，并受到環(huán)境溫度場(chǎng)的影響。同時(shí)，如果熱電偶的冷端接近熱端，則冷端的溫度將很困難。它很穩定，會(huì )引起測量偏差。
(七)熱電偶接線(xiàn)盒內部受污染
　　接線(xiàn)盒的目的是為了方便連接補償導線(xiàn)和熱電偶線(xiàn)，以及保護熱電偶免受污染。雖然接線(xiàn)盒的工藝越來(lái)越先進(jìn)，但是仍然不能保證灰塵、導電液體等的侵入，導致可靠性不能保證，也會(huì )在測量過(guò)程中出現溫度跳變問(wèn)題。
(八)響應時(shí)間的影響
　　熱電偶電極和保護管越厚，熱電偶壁越厚，熱電偶將越惰性，這將增加熱電偶穩定，創(chuàng )建不同材料并具有更高導熱率的時(shí)間。不同的是，它也會(huì )影響響應時(shí)間。因此，正常的驗證過(guò)程需要根據熱電偶的類(lèi)型選擇適當的加熱速率和熱平衡時(shí)間。
三、對熱電偶溫度偏差及跳變問(wèn)題的解決方案
(一)熱電偶檢準、標定
　　為了避免在檢查過(guò)程中引入偏差，應嚴格遵守檢查過(guò)程中的檢查規則。檢查員必須通過(guò)評估合格，并具有項目相關(guān)計量部門(mén)頒發(fā)的證書(shū)。為了確保價(jià)值傳輸的正確性，必須將使用的標準設備發(fā)送給合法的計量檢查員或經(jīng)認可的計量機構，以便及時(shí)進(jìn)行驗證。計量驗證系統按計劃進(jìn)行維護。由于頻繁使用，每個(gè)通道開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)很容易弄臟，導致長(cháng)期使用后接觸不良并影響測量數據。因此，使用一段時(shí)間后，可以用無(wú)水酒精清潔每個(gè)通道開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)。
(二)測溫點(diǎn)的正確選擇
　　熱電偶安置時(shí)應盡量接近要測的溫度點(diǎn)。測量流體溫度時(shí)，熱電偶測量端應盡量處于液體中間，并使其與被測流體方向相對。為避免產(chǎn)生熱量沿熱電偶轉走或防止環(huán)境保護管影響被測溫度，熱電偶應浸入所測流體技術(shù)當中，深度發(fā)展最少為直徑的10倍。在測量固體溫度時(shí)，熱電偶應與該物體緊密地接觸。為了使偏差值減至最小，應保證周?chē)臏囟葓?chǎng)穩定。熱電偶應盡量安裝在沒(méi)有震動(dòng)或震動(dòng)很小的地方，盡量不要安裝在拐彎處。
(三)選擇合適的保護管材料和絕緣材料
　　溫度測量除了需要快速測量外，還需要使用裸露的熱電偶以提高響應速度，在正常使用期間需要增加保護管。保護管材料的選擇對熱電偶的穩定性有很大影響，因此有必要根據實(shí)際使用條件選擇合適的保護管。絕緣層材料的選擇也是一個(gè)更重要的因素，因為它也是引起溫度跳變的關(guān)鍵因素之一。絕緣材料的選擇需要耐高溫，耐腐蝕，薄壁和耐磨性。
(四)補償方法的正確選擇
　　為了減小或消弭因熱電偶冷端溫度變化而發(fā)生的測量偏差，這時(shí)候就必須采取冷端補償措施，補償方法有:熱電勢修正法、補償導線(xiàn)法、參考端溫度補償法、冷端溫度補償器。熱電偶與冷端溫度補償器連接時(shí)注意極性千萬(wàn)不能接錯;補償器必需定期檢查和檢定。
在實(shí)際使用補償導線(xiàn)時(shí)，要特別注意以下幾個(gè)方面:
(1)補償導線(xiàn)選擇相對應型號的熱電偶，不能混用。若是用普通導線(xiàn)來(lái)取代補償導線(xiàn)，就起不到補償作用，反而會(huì )下降測溫的正確性。
(2)補償導線(xiàn)在與熱電偶、測量?jì)x表連接時(shí)，必然要注意補償導線(xiàn)的正負極與熱電偶的正負極相連接，不然測溫偏差反而增大。
(3)使用的補償導線(xiàn)，在溫區內，其熱電勢與原熱電偶要一致，確保測量的正確性。
(五)抗干擾措施
(1)選擇帶絕緣層和屏蔽層的熱電偶，采用聚氯乙烯或者聚四氟乙烯做護套，將護套緊密包在絕緣層上?？蓪犭娕季€(xiàn)絞起來(lái)，在測試設備電源上加裝濾波器或熱電偶線(xiàn)上加裝濾波磁環(huán)，實(shí)現更佳的抗干擾效果。
(2)將熱電偶的測量端或者參考端接地，被測物體也需要共同接地，選擇接地線(xiàn)需要選擇耐高溫且對熱電偶無(wú)害的金屬線(xiàn)。
(3)將熱電偶懸空放置在空氣中，以免熱電偶與任何物體發(fā)生接觸?？梢院芎玫仡A防漏電或者高溫干擾。
四、結語(yǔ)
　　通過(guò)文中分析可知，溫度進(jìn)行測量時(shí)正確性會(huì )受諸多外界因素的影響，因此如果實(shí)際測量時(shí)不考慮其他因素，安裝時(shí)不檢查是否有干擾、安裝不當、儀表精度不夠等，隨便選擇熱電偶分度號都將會(huì )影響測量結果的正確性。目前標準熱電偶有8種，只有全面考慮，在實(shí)際使用時(shí)根據當時(shí)使用條件進(jìn)行有效分析選擇適當的熱電偶，才可以得到正確測量結果。同時(shí)，應該繼續加強和研究業(yè)務(wù)，隨著(zhù)越來(lái)越豐富的工作經(jīng)驗，可以確保測量值的正確性和可靠性。簡(jiǎn)而言之，必須總結和分析在測量過(guò)程中發(fā)生的每個(gè)問(wèn)題，并應調查問(wèn)題的根源以詢(xún)問(wèn)原因，以有效避免下一個(gè)熱電偶溫度偏差和跳變問(wèn)題。我在實(shí)際使用過(guò)程中總結經(jīng)驗，發(fā)現先使用鋁箔將熱電偶包裹在被測物體上，用手捏平，然后外加一層保溫棉，最后用兩根扎帶將熱電偶測溫點(diǎn)前后扎緊，能夠有效地減少或消除熱電偶溫度偏差及跳變問(wèn)題的產(chǎn)生。