影響熱電偶測量準確度因素的幾點分析

1 熱電偶熱電特性不穩定的影響

1.1 沾污與應力的影響

(1)熱電偶在生產加工過程中 ,偶絲經過多道縮徑拉伸在其表面總是受沾污的。同時,從偶絲內部結構來看。不可避免地存在應力及晶格的不均勻性。這些物理狀態的不一致性,對偶絲的塞貝克系數有影響,影響熱電偶示值的不穩定性。所以,一支退火不合格的熱電偶,不可能用來準確的測溫。因淬火或冷加工引入的應力,可以用退火的方法予以基本消除。退火不合格所造成的示值誤差,可達十分之幾度到幾度的變化。它與待測溫度和熱電偶電極上的溫度梯度大小有關。廉價金屬熱電偶絲通常以“退火”狀態交付使用,如果需要對高溫用廉價金屬熱電偶進行退火,那么,退火溫度應高于使用溫度的上限,插入深度也應大于實際使用深度。

(2)對于作為基準和標準用的熱電偶 ,在分度時最好在每一個分度點后都進行退火。對貴金屬熱電偶來說,退火程序是很重要的。在標準熱電偶的檢定規程中規定,標準熱電偶在檢定前,必須先進行清洗和退火,以消除熱電偶的沾污和應力,從而改善了偶絲材料的金相組織,達到了提高測量穩定性。

1.2 不均勻性的影響

(1)在熱電偶的理論中指出 ,由均質導體制成的熱電偶,其熱電勢與兩端溫度有關,而與沿熱電極長度的溫度分布無關。若熱電極材料不是均勻的,兩熱電極又處于溫度梯度場中,則熱電偶會產生一個附加熱電勢,即稱為“不均勻電勢”。不均勻電勢的大小取決于沿熱電極長度的溫度梯度分布狀態,材料的不均勻形式和不均勻程度,以及熱電極在溫度場所處的位置。

(2)造成熱電極不均勻的原因 ,主要是化學成分和物理狀態兩方面,在化學成分方面如雜質分布不均勻,成分的偏析,熱電極表面局部的金屬揮發,氧化或某金屬元素選擇性氧化,測量在高溫下的熱擴散,以及熱電偶在有害氣氛中受到沾污和腐蝕等。在物理狀態方面有應力分布不均勻和電極結構不均勻等。在工業中使用的熱電偶,有時不均勻性電勢引起的附加誤差竟達20℃多度。這將嚴重地影響熱電偶的穩定性和互換性,所以均勻性是衡量熱電偶質量的重要指標之一。

2 熱電偶自身不穩定性的影響

不穩定性就是熱電偶的分度值,隨時間和使用條件的不同而引起的變化。在大多數情況下,它可能是不準確性的主要原因。如果分度值的變化相對地講是緩慢而又均勻的,這是經常進行監督性校檢(如標準熱電偶),或根據實際使用情況安排周期檢定,這樣可以減少不穩定性引入的誤差。

2.1 影響不穩定性因素

(1)沾污。前面已討論過偶絲將影響熱電偶的塞貝克系數。偶絲材料往往受到環境氣氛或保護管雜質沾污,不同程度的沾污所產生的附加電勢也不同,這種附加電勢將改變原來的分度特性,這是造成熱電偶示值不穩定的一個因素。例如,鉑銠10-鉑熱電偶,當使用的陶瓷管中含有鐵的雜質,鉑銠絲受鐵沾污后,就影響其熱電特性;當在含硅的高溫還原性氣氛中使用時,由于硅被還原成自由硅而與鉑銠絲化合成為鉑硅化合物,使偶絲變脆。檢定標準熱電偶所用的絕緣瓷管都要求用王水清洗,高溫烘烤并規定正、負極的穿孔極性。若在常用的管中把熱電極的正、負極穿錯,原穿鉑銠孔中的鉑,會向鉑極滲透而改變標準熱電偶的熱電特性。上述種種情況都會影響熱電偶的穩定性。

(2)熱電極在高溫下揮發 ,熱電偶的偶絲材料多數是合金材料,由于各組分材料的蒸氣壓不同,所以揮發的程度也不同,在高溫下使用一定時間后,合金成分比例就有所改變,這將導致熱電勢產生明顯變化。

(3)氧化還原。許多熱電偶的不穩定性是由于偶絲氧化造成的。銅-康銅、鐵-康銅、鎳鉻-鎳硅等熱電偶都能與氧化發生反應。如果熱電極是均勻氧化,影響可能小一些;若是具有擇優氧化,則其影響是很嚴重的。在低氧分壓中(即缺氧的情況下),鎳鉻電極中的鉻將產生擇優氧化而改變偶絲的組合成分。

(4)脆化。脆化是熱電偶報廢的最普遍因素。沾污,晶粒生長,氧化(例如鎳鉻-鎳鋁)和長期使用于高溫下再結晶(如鎢)等因素,都可能導致偶絲的脆化。

(5)輻射。熱電偶工作在原子反應堆中,受到中子轟擊后,偶絲材料中如果有一種或幾種元素發生蛻變(例如銠蛻變為鈀),改變了偶絲的成分,使熱電特性發生了明顯的變化。

2.2 熱電偶的穩定性檢測

(1)檢查新制標準熱電偶熱電動勢的穩定性,是將熱電偶放入退火爐中,使從測量端起400mm的一段處于某一要求溫度的均勻中進行兩次退火1h～2h,第一次退火可消除熱電偶的內應力,取出后在規定的溫度下測量其熱電勢,然后再放入退火爐中,按上述方法再進行一次退火,取出后再測其電動勢,以第二次退火前后(在同一規定的溫度點)兩次熱電動勢之差作為評價標準,若不超過測量點要求即為合格。

(2)使用中的標準熱電偶 ,其熱電動勢的穩定性,是以檢定測得的熱電動勢和上一次檢定結果比較,若不超過允許變化誤差值,即為合格。

3 參考端溫度的影響

熱電偶的熱電動勢的大下與熱電極材料以及工作端的溫度有關。熱電偶的分度表和根據分度表的溫度顯示儀表都是以熱點偶參考端溫度等于0℃為條件的。所以在使用時必須遵循這一條件。如果參考端溫度tn不等于0℃,盡管被測溫度t恒定不變,熱電勢EAB(t,tn)也將隨著參考端溫度tn的變化而變化。其變化大小可根據熱電偶的中間溫度定律求得。EA B(t,tn) =EA B(t,tn )+E AB(tn,to)當to>0℃時,此時熱電偶的熱電動勢減少了EAB(tn,to),因而將使測量儀表的示值下降。因此,當參考端溫度不等于0℃時,對被測溫度的準確性有著十分重要的影響。用熱電偶測溫時,要使參考端溫度保持在0℃比較麻煩,一般只有在實驗室作精密測溫時才有必要。通常在工程測量中,參考端溫度大都處在室溫或波動的溫區,這時,要測出實際溫度。就必須采取修正或補償等措施。補正方法有幾種方式:熱電勢補正法、溫度補正法、調儀表起始點法、補償導線法、參考端溫度補償器。都可以達到修正測量結果。

4 傳熱影響

當熱電偶插入被測介質(如氣流)時,它要從被測介質吸收熱量使自身溫度升高,同時它又以熱輻射方式和熱傳導方式向溫度低的地方散發熱量。由于熱電偶傳熱影響,使得熱電偶達不到吸收熱量的情況下所應該達到的溫度。經過若干時間以后,當測量端向外散失的熱量等于自氣流中吸收的熱量時,即達到動態平衡,此時熱電偶達到了穩定的示值。但此示值并不代表氣流的真實溫度,因為測量端環境散失的熱量是由于氣流的加熱來補償,也就是說,測量端與環境的傳熱愈強,測量端的溫度偏離氣流溫度也愈大。在這種情況下,如仍以熱電偶的指示溫度T偶來表示氣流溫度T氣,勢必引入(T氣-T偶)誤差,即傳熱誤差。

5 動態響應誤差

熱電偶插入被測介質后,由于本身具有熱惰性,因此不能立即指示出被測氣流的溫度,其示值Ta將逐漸上升,一直到測量端吸熱,放熱達到動平衡后才達到穩定的示值Ta∞。在熱電偶插入后到示值穩定之前的整個不穩定過程中,熱電偶的瞬時示值T測與穩定后的示值T∞存在著偏差,這時熱電偶除了有各種穩定的誤差外,還存在有熱電偶熱惰性引入的偏差(即T測-T∞),這一偏差稱為動態響應誤差,用△T動表示。

△ T動 =T測 -Ta∞ =τ dT測 /dt式中:τ為熱電偶的時間常數為了簡化起見,以下討論時均假設沒有其它誤差因素的影響,即T∞=T氣,于是τ dT測 /dt+T測 =T氣。如果被測溫度是不隨時間變化的穩態測量,只要熱電偶插入后經過足夠長的時間,待其示值穩定后再進行讀數,便可避免動態誤差的影響。

6 測量系統漏電影響

絕緣不良是產生電流泄露的主要原因,它對熱電偶測溫的準確度有很大的影響,能歪曲被測的熱電勢,使儀表顯示失真,甚至不能正常工作。漏電引起誤差是多方面的,例如熱電極絕緣瓷管的絕緣電阻較差,能使熱電流旁路,使熱電偶的端電壓下降,但這個影響是較小的。若電測設備漏電,也能使工作電流旁路,使測量產生誤差。

從以上論述幾點不穩定因素,是熱電偶測量溫度中,不可不認識的問題,隨著工業技術的發展,熱電偶在生產領域中的廣泛應用,對其熱電偶的使用要求越來越精準,因此了解掌握熱電偶其特性及應用,才能準確達到我們所需要的各種測量目的。