對熱電偶測溫誤差的分析

摘要:測溫誤差是始終存在于熱電偶測溫過程中。如何才能最大限度地減小測溫誤差提高精度。詳細(xì)探討了影響測量誤差的主要因素:插入深度、熱響應(yīng)時(shí)間、熱輻射、熱阻抗和熱電偶劣化等,提出相應(yīng)的解決方案,對提高測量精度,延長熱電偶壽命,以期對實(shí)踐有一定幫助。
一、前言
　　熱電偶是測溫領(lǐng)域中最常用的傳感器之一,因其結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測量范圍廣等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。因此,對熱電偶測溫精度的控制就顯得尤為重要。盡管測量誤差是客觀存在的,但我們必須最大限度地減小測量誤差,提高測量精度。因此，必須要清楚熱電偶測溫誤差的產(chǎn)生原因和解決辦法。
二、熱電偶測溫原理
　　熱電偶測溫原理是基于物體的熱電效應(yīng),即將兩種電子密度不同的金屬導(dǎo)體首尾相接組成閉合回路,如果兩端溫度不同,在回路中就會產(chǎn)生熱電動(dòng)勢,形成熱電流,這樣就可將溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號以便于測量。熱電偶測溫的優(yōu)點(diǎn)是其測量精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,測溫范圍廣及信號可遠(yuǎn)傳,便于溫度的集中監(jiān)測和自動(dòng)控制。
三、熱電偶測量誤差分析
(一)插入深度
1、測溫點(diǎn)的選擇。熱電偶的安裝位置,即測溫點(diǎn)的選擇是最重要的,選擇測溫點(diǎn)時(shí)應(yīng)具有典型性、代表性,否則將失去測量與控制的意義。測溫元件熱電偶應(yīng)安裝在測量值能代表被測介質(zhì)溫度的位置,不得裝在管道和設(shè)備的死角,且不應(yīng)受到劇烈震動(dòng)和沖擊。
2、插入深度的控制。熱電偶測溫時(shí),沿著傳感器長度方向會產(chǎn)生熱流,如果冷熱端溫差較大,就會有熱損失產(chǎn)生,這將導(dǎo)致熱電偶熱端溫度比被測實(shí)際溫度偏低而產(chǎn)生測溫誤差。為了解決這種由熱傳導(dǎo)引起的誤差,必須保證熱電偶有足夠的插入深度,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。例如:對高溫高壓蒸汽管道和一-般流體介質(zhì)管道,插入深度與其公稱通徑或管道外徑的大小有關(guān)。詳見表1:
 
　　從表1可以看出,對高溫高壓蒸汽管道的公稱通徑小于等于250m時(shí),插入深度宜為70nm,公稱通徑大于250m時(shí),插入深度宜為100mo-般流體介質(zhì)管道的外徑小于等于500nm時(shí),插入深度宜為管道外徑的1/2外徑大于500mm時(shí),插入深度宜為300mmg當(dāng)然,具體插入深度還必須兼顧容器體積或管道內(nèi)徑等因素。對于實(shí)際工程測溫,其插入深度還應(yīng)考慮被測介質(zhì)的靜止或流動(dòng)狀態(tài),如果是流動(dòng)的液體或氣體,可以不受上述條件限制，插入深度可適當(dāng)淺一些,具體數(shù)值由實(shí)際情況分析確定.
(二)熱響應(yīng)時(shí)間
　　接觸法測溫的基本原理是測溫元件要與被測對象達(dá)到熱平衡。在測溫時(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)間的長短,同測溫元件的熱響應(yīng)時(shí)間有關(guān)。熱響應(yīng)時(shí)間主要取決于傳感器的結(jié)構(gòu)及測量條件,差別極大。對于氣體介質(zhì),尤其是靜止氣體,至少應(yīng)保持30min以上才能達(dá)到平衡;對于液體而言,最快也要在5min以上。對于溫度不斷變化的被測場所,尤其是瞬間變化過程,整個(gè)過程僅1秒鐘,則要求傳感器的響應(yīng)時(shí)間在毫秒級。普通的溫度傳感器不僅跟不上被測對象的溫度變化速度出現(xiàn)滯后,而且也會因達(dá)不到熱平衡而產(chǎn)生測量誤差。因此,最好選擇響應(yīng)快的傳感器。
(三)熱輻射
　　插入爐內(nèi)用于測溫的熱電偶,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)生測溫誤差。
在單位時(shí)間內(nèi),兩者交換的熱輻射能為P,可用下式表示:
P=σε(Tw⁴-Tt⁴)
式中:.σ一波爾茲曼常數(shù)
ε一發(fā)射率
Tw一熱電偶溫度
Tt一爐壁溫度
　　在單位時(shí)間內(nèi),熱電偶同周圍的氣氣體(溫度為T)提高對流及熱傳導(dǎo)也將發(fā)生熱量交換的能量為P'
P'=αA(T-Tt)
式中:α一熱導(dǎo)率
A一熱電偶的表面積
在正常狀態(tài)下,P=P',其誤差為:
Tt-T=σε(Tw⁴-Tt⁴)/αA
對于單位面積而言,其誤差為:
Tt-T=σε(Tw⁴-Tt⁴)/α
　　因此,為了減少熱輻射誤差,應(yīng)增大熱傳導(dǎo)，并使?fàn)t壁溫度能接近熱電偶的溫度,熱電偶在安裝時(shí)應(yīng)注意:1.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;2.熱電偶最好帶有熱輻射遮蔽套。一般生產(chǎn)廠家都通過各種工藝進(jìn)行控制這種誤差。
(四)熱阻抗
　　在高溫下使用的熱電偶,如果被測介質(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;如果被測介質(zhì)是熔體,在使用過程中將有爐渣沉積,不僅增加熱電偶的響應(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)常抽檢套管是否結(jié)焦也是必要的。
(五)熱電偶的劣化
　　所謂熱電偶的劣化,即熱電偶經(jīng)使用后,出現(xiàn)老化變質(zhì)的現(xiàn)象。由金屬或合金構(gòu)成的熱電偶,在高溫下其內(nèi)部晶粒要逐漸長大,合金中含有少量雜質(zhì),其位置或形狀也將發(fā)生變化,而且,對周圍環(huán)境中的還原或氧化性氣體也要發(fā)生反應(yīng)。伴隨上述變化,熱電偶的熱電動(dòng)勢也將極其敏感地發(fā)生變化。因此,熱電偶的劣化現(xiàn)象是不可避免的。
　　熱電偶的劣化因其自身情況不同而異,主要原因是一方面,熱電偶材料本身長期在高溫作用下發(fā)生變質(zhì);另一方面,測溫環(huán)境各種氣氛對熱電偶的作用使熱電極發(fā)生質(zhì)變。因此,在注意控制各種熱電偶測溫條件的同時(shí),也要定期對熱電偶進(jìn)行檢定。
四結(jié)論
　　盡管熱電偶測溫誤差會因?yàn)椴迦肷疃取犴憫?yīng)時(shí)間、熱輻射及熱阻抗熱電偶劣化等因素而存在,但如果能夠清楚誤差產(chǎn)生的原因,掌握解決辦法,并積極采取相應(yīng)有效的補(bǔ)償措施,仍然能夠減小測溫誤差,提高測量精度,從而延長熱電偶的使用壽命。