熱電偶如何正確使用及如何減少測(cè)量誤差
摘要：熱電偶是一種*簡(jiǎn)單﹑*普通的溫度傳感器。在使用時(shí)不注意，也會(huì)引起較大測(cè)量誤差。針對(duì)當(dāng)前存在的問題，詳細(xì)探討影響測(cè)量誤差的主要因素：熱電偶插入深度﹑響應(yīng)時(shí)間﹑熱輻射及熱阻抗等，指出熱電偶絲不均質(zhì)﹑鎧裝熱電偶分流誤差﹑K型熱電偶的選擇性氧化﹑K狀態(tài)﹑使用氣氛﹑絕緣電阻及熱電偶劣化等在使用中應(yīng)注意事項(xiàng)。對(duì)提高測(cè)量精度，延長(zhǎng)熱電偶?jí)勖幸欢◣椭?/span>
摘要：熱電偶是一種*簡(jiǎn)單﹑*普通的溫度傳感器。在使用時(shí)不注意，也會(huì)引起較大測(cè)量誤差。針對(duì)當(dāng)前存在的問題，詳細(xì)探討影響測(cè)量誤差的主要因素：熱電偶插入深度﹑響應(yīng)時(shí)間﹑熱輻射及熱阻抗等，指出熱電偶絲不均質(zhì)﹑鎧裝熱電偶分流誤差﹑K型熱電偶的選擇性氧化﹑K狀態(tài)﹑使用氣氛﹑絕緣電阻及熱電偶劣化等在使用中應(yīng)注意事項(xiàng)。對(duì)提高測(cè)量精度，延長(zhǎng)熱電偶?jí)勖幸欢◣椭?/span>
關(guān)鍵詞：響應(yīng)時(shí)間； 熱輻射； 分流誤差； K狀態(tài)； 熱電偶劣化
1. 前言
在現(xiàn)有的測(cè)溫系統(tǒng)中，*常用的溫度傳感器—熱電偶，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，往往被誤認(rèn)為“熱電偶兩根線，接上就完事”，其實(shí)并非如此。熱電偶的結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但在使用中仍然會(huì)出現(xiàn)各種問題。例如：安裝或使用方法不當(dāng)，將會(huì)引起較大的測(cè)量誤差，甚至檢定合格的熱電偶也會(huì)因操作不當(dāng)，在使用時(shí)不合格，在滲碳等還原性氣氛中，如果不注意，K型熱電偶也會(huì)因選擇性氧化而超差。
為了提高測(cè)量精度，減少測(cè)量誤差，延長(zhǎng)熱電偶使用壽命，要求使用者不僅應(yīng)具備儀表方面的操作技能，而且還應(yīng)具有物理、化學(xué)及材料等多方面知識(shí)。作者根據(jù)多年實(shí)踐，并參閱有關(guān)資料較詳細(xì)地介紹熱電偶的正確使用及測(cè)量誤差。
2．測(cè)量誤差的主要影響因素
1）插入深度的影響
- 測(cè)溫點(diǎn)的選擇。熱電偶的安裝位置，即測(cè)溫點(diǎn)的選擇是*重要的。測(cè)溫點(diǎn)的位置，對(duì)于生產(chǎn)工藝過程而言，一定要具有典型性、代表性，否則將失去測(cè)量與控制的意義。
- 插入深度。 熱電偶插入被測(cè)場(chǎng)所時(shí)，沿著傳感器的長(zhǎng)度方向?qū)a(chǎn)生熱流。當(dāng)環(huán)境溫度低時(shí)就會(huì)有熱損失。致使熱電偶與被測(cè)對(duì)象的溫度不一致而產(chǎn)生測(cè)溫誤差。總之，由熱傳導(dǎo)而引起的誤差，與插入深度有關(guān)。而插入深度又與保護(hù)管材質(zhì)有關(guān)。金屬保護(hù)管因其導(dǎo)熱性能好，其插入深度應(yīng)該深一些（約為直徑的15—20倍），陶瓷材料絕熱性能好，可插入淺一些（約為直徑的10-15倍）。對(duì)于工程測(cè)溫，其插入深度還與測(cè)量對(duì)象是靜止或流動(dòng)等狀態(tài)有關(guān)，如流動(dòng)的液體或高速氣流溫度的測(cè)量，將不受上述限制，插入深度可以淺一些，具體數(shù)值應(yīng)由實(shí)驗(yàn)確定。
- 響應(yīng)時(shí)間的影響
接觸法測(cè)溫的基本原理是測(cè)溫元件要與被測(cè)對(duì)象達(dá)到熱平衡。因此，在測(cè)溫時(shí)需要保持一定時(shí)間，才能使兩者達(dá)到熱平衡。而保持時(shí)間的長(zhǎng)短，同測(cè)溫元件的熱響應(yīng)時(shí)間有關(guān)。而熱響應(yīng)時(shí)間主要取決于傳感器的結(jié)構(gòu)及測(cè)量條件，差別極大。對(duì)于氣體介質(zhì)，尤其是靜止氣體，至少應(yīng)保持30min以上才能達(dá)到平衡；對(duì)于液體而言，*快也要在5min以上。
對(duì)于溫度不斷變化的被測(cè)場(chǎng)所，尤其是瞬間變化過程，全過程僅1秒鐘，則要求傳感器的響應(yīng)時(shí)間在毫秒級(jí)。因此，普通的溫度傳感器不僅跟不上被測(cè)對(duì)象的溫度變化速度出現(xiàn)滯后，而且也會(huì)因達(dá)不到熱平衡而產(chǎn)生測(cè)量誤差。*好選擇響應(yīng)快的傳感器。對(duì)熱電偶而言除保護(hù)管影響外，熱電偶的測(cè)量端直徑也是其主要因素，即偶絲越細(xì)，測(cè)量端直徑越小，其熱響應(yīng)時(shí)間越短。測(cè)溫元件熱響應(yīng)誤差可通過下式確定[1]。
Δθ=Δθ0exp（-t/τ）（2—1）
式中 t—測(cè)量時(shí)間S，
Δθ—在 t時(shí)刻，測(cè)溫元件引起的誤差，K或℃
Δθ0—“t=0” 時(shí)刻，測(cè)溫元件引起的誤差，K或℃
τ—時(shí)間常數(shù)S
e —— 自然對(duì)數(shù)的底（2.718）
因此，當(dāng)t=τ時(shí)，則Δθ=Δθ0/e即為0.368，
如果當(dāng)t=2τ時(shí),則Δθ=Δθ0/e2即為0.135。
當(dāng)被測(cè)對(duì)象的溫度,以一定的速度α(k/s或℃/s)上升或下降時(shí),經(jīng)過足夠的時(shí)間后,所產(chǎn)生的響應(yīng)誤差可用下式表示：
Δθ∞=-ατ（2—2）
式中Δθ∞—經(jīng)過足夠時(shí)間后，測(cè)溫元件引起的誤差。
由式（2—2）可以看出，響應(yīng)誤差與時(shí)間常數(shù)（τ）成正比，表1，2給出裝配式與鎧裝式熱電偶響應(yīng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可供參考[1]。為了提高檢定效率許多企業(yè)采用自動(dòng)檢定裝置，對(duì)入廠熱電偶進(jìn)行檢定，但是，該裝置也并非十分完善。二汽變速箱廠熱處理車間就發(fā)現(xiàn)如果在400℃點(diǎn)的恒溫時(shí)間不夠，達(dá)不到熱平衡，就容易發(fā)生誤判。
表1K型熱電偶響應(yīng)時(shí)間
| 熱電偶絲直徑（mm） | 保護(hù)管 | 響應(yīng)時(shí)間 （τ） | 溫度變化范圍 （°C） | 外部條件 | |
| 材質(zhì) | 規(guī)格（mm） | ||||
| 3.2 | SUS304 | 外徑22 | 6 分55 秒 | 常溫 → 600 | 燃?xì)鉅t中 |
| 內(nèi)徑16 | 2 分52 秒 | 600 → 常溫 | 靜止冷水 | ||
| 1.6 | SUS304 | 外徑15 | 3 分32 秒 | 常溫 → 600 | 燃?xì)鉅t中 |
| 內(nèi)徑11 | 40 秒 | 1000 → 常溫 | 靜止冷水 | ||
| 1.0 | SUS304 | 外徑12 | 1 分14 秒 | 常溫 → 950 | 燃?xì)鉅t中 |
| 內(nèi)徑8 | 2 分28 秒 | 950 → 常溫 | 自然空冷 | ||
| 3.2 | 只有絕緣管無外保護(hù)管 | 49 秒 | 常溫 → 950 | 燃?xì)鉅t中 | |
| 1 分32 秒 | 900 → 常溫 | 自然空冷 | |||
| 1.6 | 只有絕緣管無外保護(hù)管 | 27 秒 | 常溫 → 900 | 燃?xì)鉅t中 | |
| 52 秒 | 900 → 常溫 | 自然空冷 | |||
表2鎧裝熱電偶響應(yīng)時(shí)間
| 鎧裝熱電偶外徑 （mm） | 響應(yīng)時(shí)間(τ) | 溫度變化范圍 (℃) | 外部條件 | |
| 接殼型 | 絕緣型 | |||
| 0.25 | 0.007秒 | 0.012秒 | 常溫→100 | 沸騰水中 |
| 0.5 | 0.027秒 | 0.031秒 | 常溫→100 | 沸騰水中 |
| 0.03秒 | 0.05秒 | 常溫→100 | 沸騰水中 | |
| 1.0 | 0.077秒 | 0.117秒 | 常溫→100 | 沸騰水中 |
| 0.7秒 | 0.12秒 | 常溫→100 | 沸騰水中 | |
| 1.6 | 0.15秒 | 0.2秒 | 0→100 | 沸騰水中 |
| 0.18秒 | 0.26秒 | 常溫→100 | 沸騰水中 | |
| 2.3 | 0.26秒 | 0.41秒 | 常溫→100 | 沸騰水中 |
| 3.2 | 0.4秒 | 0.5秒 | 0→100 | 沸騰水中 |
| 0.46秒 | 0.9秒 | 常溫→100 | 沸騰水中 | |
| 4.8 | 0.73秒 | 1.2秒 | 0→100 | 沸騰水中 |
| 1.6秒 | 2.4秒 | 常溫→100 | 沸騰水中 | |
| 6.4 | 1.2秒 | 2.4秒 | 0→100 | 沸騰水中 |
| 2.2秒 | 3.7秒 | 常溫→100 | 沸騰水中 | |
| 8.0 | 2.1秒 | 3.9秒 | 0→100 | 沸騰水中 |
| 4.0秒 | 5.8秒 | 常溫→100 | 沸騰水中 | |
- 熱輻射的影響
插入爐內(nèi)用于測(cè)溫的熱電偶，將被高溫物體發(fā)出的熱輻射加熱。假定爐內(nèi)氣體是透明的，而且，熱電偶與爐壁的溫差較大時(shí)，將因能量交換而產(chǎn)生測(cè)溫誤差。
在單位時(shí)間內(nèi)，兩者交換的輻射能為P，可用下式表示：
P=σε（Tw4 - Tt4 ）（2—3）
式中σ—斯忒藩—波爾茲常數(shù)
ε—發(fā)射率
Tt—熱電偶的溫度 , K
Tw—爐壁的溫度 ,K
在單位時(shí)間內(nèi),熱電偶同周圍的氣體（溫度為T）,通過對(duì)流及熱傳導(dǎo)也將發(fā)生熱量交換的能量為P′
P′=αA（T-Tt）（2—4）
式中 α—熱導(dǎo)率
A— 熱電偶的表面積
在正常狀態(tài)下，P= P′，其誤差為：
Tt-T=σε（Tt4-Tw4）/α?。?—5）
對(duì)于單位面積而言其誤差為
Tt-T=σε（Tt4-Tw4）/α（2—6）
因此，為了減少熱輻射誤差，應(yīng)增大熱傳導(dǎo)，并使?fàn)t壁溫度Tw ，盡可能接近熱電偶的溫度Tt。另外，在安裝時(shí)還應(yīng)注意：
- 熱電偶安裝位置，應(yīng)盡可能避開從固體發(fā)出的熱輻射，使其不能輻射到熱電偶表面；
- 熱電偶*好帶有熱輻射遮蔽套。
- 熱阻抗增加的影響
在高溫下使用的熱電偶，如果被測(cè)介質(zhì)為氣態(tài)，那么保護(hù)管表面沉積的灰塵等將燒熔在表面上，使保護(hù)管的熱阻抗增大；如果被測(cè)介質(zhì)是熔體，在使用過程中將有爐渣沉積，不僅增加了熱電偶的響應(yīng)時(shí)間，而且還使指示溫度偏低。因此，除了定期檢定外，為了減少誤差，經(jīng)常抽檢也是必要的。例如，進(jìn)口銅熔煉爐，不僅安裝有連續(xù)測(cè)溫?zé)犭娕?，還配備消耗型熱電偶測(cè)溫裝置，用于及時(shí)校準(zhǔn)連續(xù)測(cè)溫用熱電偶的準(zhǔn)確度。
熱電偶如何正確使用及如何減少測(cè)量誤差
公安機(jī)關(guān)備案號(hào)：
