工业上测量温度用的感温元件种类繁多, 热电偶是其中应用最广泛一种。由于其具有结构简单、使用方便、测温范围广和价格相对便宜等优点, 所以在温度测量中广泛应用。在实际工作中, 我们利用热电偶作为感温元件, 当其工作端与参考端有温差时, 热电偶将产生热电势, 通过与测量电势的二次测温仪表配合使用, 则可实现远距离测温。由于热电偶自身存在众多影响其测量结果的因素, 要得到准确测量结果, 就必须对热电偶性能及使用方法有一个正确的了解。
1 影响热电偶测量准确度因素及清除方法
1.1 热电偶热电特性不稳定所引起的误差及消除方法
热电偶使用过一定时间后, 其热电特性将会发生变化, 如果变化显著, 则利用此热电偶测出的温度将远远偏离真实温度。影响热电偶稳定性的主要因素有: (1) 环境对热电偶电极的玷污和腐蚀; (2) 热电极受外力作用而产生的变形所引起的形变应力; (3) 热电极在高温下晶粒长大; (4) 热电极在使用中发生氧化等。
1.2 玷污与应力的影响及消除方法
热电偶在生产过程中, 偶然经过多道缩径拉伸, 不可避免存在应力及晶格不均匀性, 可以通过退火的方法来基本消除, 退火不合格所造成的误差, 可达十分之几度到几度。它与待测温度及热电偶电极上的温度梯度大小有关。廉金属热电偶的偶丝通常以“退火”状态交付使用, 退火温度应高于其使用温度上限, 插人深度也庆大于实际使用的深度。贵金属热电偶则必须认真清洗 (酸洗和四硼酸钠清洗) 和退火, 以清除热电偶的玷污与应力。
1.3 不均匀性的影响
热电偶的均匀性是指热电偶热电极材料的均匀程度。热电偶两热电极若是均匀的, 则热电偶回路的热电势只与两端温度差有关, 而与沿热电极长度的温度梯度无关, 若两热电极材料不均匀, 热电偶回路就会产生一个附加热电势。从而降低了测温的准确性, 产生测量误差。
1.4 减少热电偶不稳定性所带来的误差方法
热电偶在测温过程中, 由于受到测量环境、气氛、使用温度以及保护管材料的玷污等影响, 使用一段时间后, 其热电特性将会发生变化, 尤其是在高温、腐蚀性气氛中。这时经常进行监督性校验, 或根据实际使用情况安排周期检定, 则可减少不稳定性引人的误差。
2 参考端温度变化所引起的误差及修正方法
热电偶只有在参考端保持0℃时产生的热电势才能直接反映工作端温度。在实际使用热电偶时, 其冷端温度 (参考端) 不但不为0℃而且往往是变化的, 测温仪表所测得的温度值就会产生很大误差, 在这种情况下, 我们通常采用如下方法来修正。
2.1 补偿导线
采用补偿导线把热电偶的参考端延长到温度较恒定的地方, 再进行修正。其原理如图1所示。
此时参考端已变为一个温度不变或变化很小的新参考端。则热电偶产生的热电势为:
此时的热电偶产生热电势已不受原参考端温度变化影响, EAB (T01 T0) , 是新参考端温度0T1 (≠0℃) , 且0T1为一常数时所测得热电势, EAB (T01 T0) 是参考端温度0T=0℃, 工作端为T 01时所测得热电势 (热电偶分度表中可查出) 。
2.2 参考端温度补偿器
其工作原理如图2所示。
补偿器是一个不平衡电桥, 电桥的三个桥臂电阻是电阻温度系数很小的锰铜丝绕制的。其阻值基本上不随温度变化而变化, 并使R1=R2=R3=1Ω。另一个桥臂电阻1R是由电阻温度系数较大的铜绕制而成, 并使其在20℃时R1=R1=1Ω, 此时电桥平衡, 没有电压输出, 当电桥所处温度发生变化时, 1R的阻值也随之改变, 于是就有不平衡电压输出, 此输出电压来抵消参考端温度变化击产生的热电热电势误差。
3 热电偶正确使用方法
由以上分析可以看出, 热电偶的测量误差不仅和其自身的物理性能有关, 还与其使用方法是否正确有关。热电偶安装和使用不当, 不但会增加测量误差, 还可降低热电偶的使用寿命。因此, 根据测温范围和工作环境, 正确安装和合用热电偶是一个重要问题。
(1) 热电偶应选择合适的安装地点。将热电偶装于温度较均匀且能代表工作温度地方。不应装在加热源太近的地方, 应尽可能避开强磁场和电场。热电偶原参考端尽量避免温度过高。
(2) 热电偶插人温场深度要适合, 一般不应小于200mm热电偶保护管与炉壁之间的空隙, 须用耐火泥堵塞, 以免空气对流影响测温准确性。
(3) 贵金属热电偶, 不能在还原气体中测温。
(4) 在小直径管道中安装热电偶时, 热电偶工作端一般迎着热流方向, 在大直径管道中安装热电偶时, 热电偶应垂直管壁。
(5) 热电偶应尽可能保持垂直使用, 以防保护管在高温下变形。若需水平安装时, 插人深度不应大于500mm, 露出部分应采用架子托牢, 并在使用一段时间后, 将其旋转180°。
4 结语
通过上述误差来源的综述, 使我们对以热电偶为感温元件的温度计量误差情况有了系统认识, 得出了如下结论:热电偶的不稳定性、不均匀性、参考端温度变化以及热电偶安装使用不当都可以引起测量误差, 还使我们了解到要想提高温度测量的准确应从哪些方面考虑问题, 这对我们今后的温度计量工作十分有益。
通过以上分析可以使我们对以热电偶为感温元件的温度计量误差情况有了系统认识, 得出了对热电偶的不稳定性、不均匀性、参考端温度变化以及热电偶安装使用不当都可以引起测量误差, 还使我们了解到要想提高温度测量的准确应从哪些方面考虑问题, 这些都是对我们今后的温度计量工作十分有益的。
摘要：本文是根据作者多年的工作经验所得出正确安装和合用热电偶是一个重要问题, 所以阐述了热电偶的不稳定性、不均匀性、参考端温度变化以及热电偶安装使用不当所引起的测量误差和修正方法。
关键词：热电偶安装,测量误差,消除方法