影响热电偶测量准确度因素的几点分析

热电偶由于具有结构简单、制造容易,测量方便等优点,故在工业温度测量中得到广泛应用,但是,要得到正确的测量结果,必须认识了解热电偶的特性和正确使用,否则将会在测量中带来很大的误差。下面从几个方面阐述影响热电偶测量不稳定因素。

1 热电偶热电特性不稳定的影响

1.1 沾污与应力的影响

(1)热电偶在生产加工过程中 ,偶丝经过多道缩径拉伸在其表面总是受沾污的。同时,从偶丝内部结构来看。不可避免地存在应力及晶格的不均匀性。这些物理状态的不一致性,对偶丝的塞贝克系数有影响,影响热电偶示值的不稳定性。所以,一支退火不合格的热电偶,不可能用来准确的测温。因淬火或冷加工引入的应力,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误差,可达十分之几度到几度的变化。它与待测温度和热电偶电极上的温度梯度大小有关。廉价金属热电偶丝通常以“退火”状态交付使用,如果需要对高温用廉价金属热电偶进行退火,那么,退火温度应高于使用温度的上限,插入深度也应大于实际使用深度。

(2)对于作为基准和标准用的热电偶 ,在分度时最好在每一个分度点后都进行退火。对贵金属热电偶来说,退火程序是很重要的。在标准热电偶的检定规程中规定,标准热电偶在检定前,必须先进行清洗和退火,以消除热电偶的沾污和应力,从而改善了偶丝材料的金相组织,达到了提高测量稳定性。

1.2 不均匀性的影响

(1)在热电偶的理论中指出 ,由均质导体制成的热电偶,其热电势与两端温度有关,而与沿热电极长度的温度分布无关。若热电极材料不是均匀的,两热电极又处于温度梯度场中,则热电偶会产生一个附加热电势,即称为“不均匀电势”。不均匀电势的大小取决于沿热电极长度的温度梯度分布状态,材料的不均匀形式和不均匀程度,以及热电极在温度场所处的位置。

(2)造成热电极不均匀的原因 ,主要是化学成分和物理状态两方面,在化学成分方面如杂质分布不均匀,成分的偏析,热电极表面局部的金属挥发,氧化或某金属元素选择性氧化,测量在高温下的热扩散,以及热电偶在有害气氛中受到沾污和腐蚀等。在物理状态方面有应力分布不均匀和电极结构不均匀等。在工业中使用的热电偶,有时不均匀性电势引起的附加误差竟达20℃多度。这将严重地影响热电偶的稳定性和互换性,所以均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一。

2 热电偶自身不稳定性的影响

不稳定性就是热电偶的分度值,随时间和使用条件的不同而引起的变化。在大多数情况下,它可能是不准确性的主要原因。如果分度值的变化相对地讲是缓慢而又均匀的,这是经常进行监督性校检(如标准热电偶),或根据实际使用情况安排周期检定,这样可以减少不稳定性引入的误差。

2.1 影响不稳定性因素

(1)沾污。前面已讨论过偶丝将影响热电偶的塞贝克系数。偶丝材料往往受到环境气氛或保护管杂质沾污,不同程度的沾污所产生的附加电势也不同,这种附加电势将改变原来的分度特性,这是造成热电偶示值不稳定的一个因素。例如,铂铑10-铂热电偶,当使用的陶瓷管中含有铁的杂质,铂铑丝受铁沾污后,就影响其热电特性;当在含硅的高温还原性气氛中使用时,由于硅被还原成自由硅而与铂铑丝化合成为铂硅化合物,使偶丝变脆。检定标准热电偶所用的绝缘瓷管都要求用王水清洗,高温烘烤并规定正、负极的穿孔极性。若在常用的管中把热电极的正、负极穿错,原穿铂铑孔中的铂,会向铂极渗透而改变标准热电偶的热电特性。上述种种情况都会影响热电偶的稳定性。

(2)热电极在高温下挥发 ,热电偶的偶丝材料多数是合金材料,由于各组分材料的蒸气压不同,所以挥发的程度也不同,在高温下使用一定时间后,合金成分比例就有所改变,这将导致热电势产生明显变化。

(3)氧化还原。许多热电偶的不稳定性是由于偶丝氧化造成的。铜-康铜、铁-康铜、镍铬-镍硅等热电偶都能与氧化发生反应。如果热电极是均匀氧化,影响可能小一些;若是具有择优氧化,则其影响是很严重的。在低氧分压中(即缺氧的情况下),镍铬电极中的铬将产生择优氧化而改变偶丝的组合成分。

(4)脆化。脆化是热电偶报废的最普遍因素。沾污,晶粒生长,氧化(例如镍铬-镍铝)和长期使用于高温下再结晶(如钨)等因素,都可能导致偶丝的脆化。

(5)辐射。热电偶工作在原子反应堆中,受到中子轰击后,偶丝材料中如果有一种或几种元素发生蜕变(例如铑蜕变为钯),改变了偶丝的成分,使热电特性发生了明显的变化。

2.2 热电偶的稳定性检测

(1)检查新制标准热电偶热电动势的稳定性,是将热电偶放入退火炉中,使从测量端起400mm的一段处于某一要求温度的均匀中进行两次退火1h～2h,第一次退火可消除热电偶的内应力,取出后在规定的温度下测量其热电势,然后再放入退火炉中,按上述方法再进行一次退火,取出后再测其电动势,以第二次退火前后(在同一规定的温度点)两次热电动势之差作为评价标准,若不超过测量点要求即为合格。

(2)使用中的标准热电偶 ,其热电动势的稳定性,是以检定测得的热电动势和上一次检定结果比较,若不超过允许变化误差值,即为合格。

3 参考端温度的影响

热电偶的热电动势的大下与热电极材料以及工作端的温度有关。热电偶的分度表和根据分度表的温度显示仪表都是以热点偶参考端温度等于0℃为条件的。所以在使用时必须遵循这一条件。如果参考端温度tn不等于0℃,尽管被测温度t恒定不变,热电势EAB(t,tn)也将随着参考端温度tn的变化而变化。其变化大小可根据热电偶的中间温度定律求得。EA B(t,tn) =EA B(t,tn )+E AB(tn,to)当to>0℃时,此时热电偶的热电动势减少了EAB(tn,to),因而将使测量仪表的示值下降。因此,当参考端温度不等于0℃时,对被测温度的准确性有着十分重要的影响。用热电偶测温时,要使参考端温度保持在0℃比较麻烦,一般只有在实验室作精密测温时才有必要。通常在工程测量中,参考端温度大都处在室温或波动的温区,这时,要测出实际温度。就必须采取修正或补偿等措施。补正方法有几种方式:热电势补正法、温度补正法、调仪表起始点法、补偿导线法、参考端温度补偿器。都可以达到修正测量结果。

4 传热影响

当热电偶插入被测介质(如气流)时,它要从被测介质吸收热量使自身温度升高,同时它又以热辐射方式和热传导方式向温度低的地方散发热量。由于热电偶传热影响,使得热电偶达不到吸收热量的情况下所应该达到的温度。经过若干时间以后,当测量端向外散失的热量等于自气流中吸收的热量时,即达到动态平衡,此时热电偶达到了稳定的示值。但此示值并不代表气流的真实温度,因为测量端环境散失的热量是由于气流的加热来补偿,也就是说,测量端与环境的传热愈强,测量端的温度偏离气流温度也愈大。在这种情况下,如仍以热电偶的指示温度T偶来表示气流温度T气,势必引入(T气-T偶)误差,即传热误差。

5 动态响应误差

热电偶插入被测介质后,由于本身具有热惰性,因此不能立即指示出被测气流的温度,其示值Ta将逐渐上升,一直到测量端吸热,放热达到动平衡后才达到稳定的示值Ta∞。在热电偶插入后到示值稳定之前的整个不稳定过程中,热电偶的瞬时示值T测与稳定后的示值T∞存在着偏差,这时热电偶除了有各种稳定的误差外,还存在有热电偶热惰性引入的偏差(即T测-T∞),这一偏差称为动态响应误差,用△T动表示。

△ T动 =T测 -Ta∞ =τ dT测 /dt式中:τ为热电偶的时间常数为了简化起见,以下讨论时均假设没有其它误差因素的影响,即T∞=T气,于是τ dT测 /dt+T测 =T气。如果被测温度是不随时间变化的稳态测量,只要热电偶插入后经过足够长的时间,待其示值稳定后再进行读数,便可避免动态误差的影响。

6 测量系统漏电影响

绝缘不良是产生电流泄露的主要原因,它对热电偶测温的准确度有很大的影响,能歪曲被测的热电势,使仪表显示失真,甚至不能正常工作。漏电引起误差是多方面的,例如热电极绝缘瓷管的绝缘电阻较差,能使热电流旁路,使热电偶的端电压下降,但这个影响是较小的。若电测设备漏电,也能使工作电流旁路,使测量产生误差。

从以上论述几点不稳定因素,是热电偶测量温度中,不可不认识的问题,随着工业技术的发展,热电偶在生产领域中的广泛应用,对其热电偶的使用要求越来越精准,因此了解掌握热电偶其特性及应用,才能准确达到我们所需要的各种测量目的。