解決和安裝熱電偶問題，zui常用溫度傳感器。 但是，如果在使用過程中不注意，也可能引起較大的測量誤差。 針對目前存在的問題，詳細探討影響測量誤差的因素:指出熱電偶插入深度、響應(yīng)時間、熱輻射和熱阻等熱電偶線不均勻、鞘熱電偶分流誤差、k型熱電偶選擇氧化、k狀態(tài)、使用環(huán)境、絕緣電阻和熱電偶老化等使用中的注意事項。 有助于提高測量精度，延長熱電偶的壽命。

關(guān)鍵詞:測量誤差注意事項分流誤差k狀態(tài)熱電偶老化

1 .前言

傳統(tǒng)測溫系統(tǒng)中zui常用的溫度傳感器>； 熱電偶由于其結(jié)構(gòu)簡單，&ldquo； 熱電偶的兩條線連接起來&rdquo； 事實并非如此。 熱電偶的結(jié)構(gòu)簡單，但在使用過程中會出現(xiàn)各種問題。 例如，如果安裝和使用方法錯誤，會引起較大的測量誤差，檢定合格的熱電偶也會因為操作錯誤，使用時不合格，或者在滲碳等還原性氣氛中不注意的話，k型熱電偶也會因為選擇氧化而變得嚴重。

為了提高測量精度，減少測量誤差，延長熱電偶的壽命，使用者不僅要求具備儀表面的操作技能，還要求具備物理、化學(xué)、材料等多方面的知識。 作者在多年實踐的基礎(chǔ)上，參照有關(guān)資料詳細介紹了熱電偶的測量誤差及其注意事項。

2 .測量誤差的主要影響因素

2.1插入深度的影響

(1)測溫點的選擇

熱電偶的安裝位置，即測溫點的選擇是zui的關(guān)鍵。 測溫點的位置在生產(chǎn)過程中必須是典型的、非典型的，否則會喪失測量和控制的意義。

(2)插入深度

熱電偶插入被測量場所后，沿傳感器的長度方向產(chǎn)生熱流。 環(huán)境溫度低的話會有熱損失。 熱電偶與被測量對象的溫度不一致，產(chǎn)生測溫誤差。 也就是說，熱傳導(dǎo)引起的誤差與插入深度有關(guān)。 插入深度與保護管的材質(zhì)有關(guān)。 金屬保護管熱傳導(dǎo)性好，其插入深度必須深(直徑約15) 20倍)，陶瓷材料絕熱性能好，可以插入淺(直徑約10-15倍)。 關(guān)于工程的測溫，其插入深度也與測量對象靜止或流動等狀態(tài)有關(guān)。 例如，流動的液體和高速氣流的溫度的測定不受上述限制。 插入深度可以很淺。 具體數(shù)值應(yīng)由實驗決定。

2.2響應(yīng)時間的影響

接觸法測溫的基本原理是測溫元件與被測者實現(xiàn)熱平衡。 因此，測溫時需要保持一定的時間，使兩者達到熱平衡。 保持時間的長度與測溫元件的熱響應(yīng)時間有關(guān)。 熱響應(yīng)時間主要根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)和測量條件而有很大差異。 對于氣體介質(zhì)，特別是靜止氣體，在為了取得平衡必須保持至少30min以上的液體中，zui也立即變成5min以上。

對于溫度不斷變化的被測場所，特別是瞬間變化的過程，全過程要求僅為1秒，傳感器的響應(yīng)時間要求為毫秒水平。 因此，一般的溫度傳感器不僅會使被測定對象的溫度變化速度產(chǎn)生延遲，還會因未達到熱平衡而產(chǎn)生測定誤差。 zui較好選擇響應(yīng)快的傳感器。 對熱電偶來說，除保護管的影響外，熱電偶的測量端徑也是其主要因素，偶數(shù)線越細，測量端徑越小，熱響應(yīng)時間越短。 測溫元件的熱響應(yīng)誤差可通過下式求出[1]。

&Delta； &希塔； =&Delta； &希塔； 0exp(-t/&tau； (2) 1)1)

式中t>； 測量時間s，

&Delta； &希塔； <； br/>； t時刻測溫元件引起的誤差、k或℃

&Delta； &希塔； 0>； &ldquo； t=0&rdquo； 時刻、測溫元件引起誤差、k或℃

&tau； <； br/>； 時間常數(shù)s

e>； 自然對數(shù)底數(shù)( 2.718 )

因此，t=&tau； 時間是&Delta； &希塔； =&Delta； &希塔； 0/e為0.368

t=2&tau時為&Delta； &希塔； =&Delta； &希塔； 0/e2等于0.135。

被測量對象溫度以一定的速度&alpha； ( k/s或℃/s )上升或下降時，若經(jīng)過充分的時間，則產(chǎn)生的響應(yīng)誤差由下式表示

&Delta； &希塔； &infin； =-&alpha； &tau； (2)。 中所述情節(jié)，對概念設(shè)計中的量體體積進行分析

式中&Delta； &希塔； &infin； <； br/>； 經(jīng)過充分的時間后，測溫元件引起的誤差。

由式(2) 2)響應(yīng)誤差和時間常數(shù)( &tau； 成正比。 為了提高檢定效率，很多企業(yè)都采用了自動檢定裝置，對進入工廠的熱電偶進行了檢定，但是這個裝置還不夠完善。 二汽變速箱工廠的熱處理廠，如果400℃的恒溫時間不夠的話，很容易誤判為沒有達到熱平衡。

2.3熱輻射的影響

插入爐內(nèi)的測溫用熱電偶被高溫物體的熱輻射加熱。 爐內(nèi)氣體透明，而且熱電偶和爐壁的溫度差大時，會因能量交換而產(chǎn)生測溫誤差。

在單位時間內(nèi)，兩者交換的輻射能量為p，用下式表示

P=&sigma； &epsilon； ( tw4-tt4)(2>； (3)。

式中&sigma； <； br/>； 斯泰藩玻爾茲常數(shù)

&epsilon； <； br/>； 發(fā)射率

tt>； 熱電偶溫度，k

tw>； 爐壁溫度，k

單位時間內(nèi)熱電偶和周圍氣體(溫度t )通過對流和熱傳導(dǎo)進行熱交換的能量為P&prime；

P&prime； =&alpha； a(t-tt)(2>； (4)。

式中&alpha； <； br/>； 導(dǎo)熱系數(shù)

a； 熱電偶的表面積

在正常狀態(tài)下，P= P&prime； 誤差如下:

Tt-T=&sigma； &epsilon； ( Tt4-Tw4)/&alpha； б(2) 5)5)

單位面積誤差

Tt-T=&sigma； &epsilon； ( Tt4-Tw4)/&alpha； (2)。 中所述情節(jié)，對概念設(shè)計中的量體體積進行分析

因此，為了減少熱輻射誤差，增大熱傳導(dǎo)，使爐壁溫度Tw盡可能接近熱電偶的溫度Tt。 此外，安裝時還要注意以下幾點

熱電偶的安裝位置應(yīng)盡量避免來自固體的熱輻射，避免輻射到熱電偶表面，熱電偶zui較好具有熱輻射屏蔽罩。 2.4熱阻增加的影響

高溫下使用的熱電偶，如果被檢測介質(zhì)是氣體，則堆積在保護管表面的灰塵等溶解在表面，保護管的熱阻增大的被檢測介質(zhì)是熔體，則在使用中熔渣堆積，不僅熱電偶的響應(yīng)時間增加，指示溫度也降低。 因此，除定期檢定外，為了減少誤差，還需要經(jīng)常進行吸引檢查。 例如，進口銅熔爐不僅具備連續(xù)測溫?zé)犭娕?，還具備消耗型熱電偶測溫裝置，及時校正連續(xù)測溫用熱電偶的精度。

3 .熱電偶的老化和壽命

3.1熱電偶的劣化

熱電偶的壽命與老化有關(guān)，熱電偶的老化是一種使用熱電偶老化的現(xiàn)象。 由金屬和合金構(gòu)成的熱電偶，在高溫下內(nèi)部的晶粒逐漸成長。 同時，合金中含有少量的雜質(zhì)，其位置和形狀也發(fā)生變化，并且對周圍環(huán)境中的還原和氧化性氣體也發(fā)生反應(yīng)。 隨著上述變化，熱電偶的熱電動勢也極為敏感地變化。 因此，熱電偶的老化現(xiàn)象是不可避免的。

3.2熱電偶的壽命

熱電偶的老化是一個量化過程，定量困難，隨熱電偶的種類、直徑、使用溫度、氣氛、時間而變化。 所謂熱電偶的壽命，是指熱電偶超過允許誤差而劣化，即使斷線也無法使用的時間。

(1)組裝式熱電偶的壽命

我國標準只要求熱電偶的穩(wěn)定性。 在某一溫度下經(jīng)過200h，規(guī)定使用前后熱電動勢的變化。 但是，還沒有發(fā)現(xiàn)壽命有規(guī)定。 關(guān)于日本的熱電偶的壽命的要求是JIS(C-1602-1995 )標準中規(guī)定的熱電偶的連續(xù)使用時間。 b、r、s型熱電偶為2000h、k、e、j、t型熱電偶為10000h。

實際使用時，組裝式熱電偶通常有保護管，僅在特殊情況下裸線使用。 因此，保護管的壽命往往決定熱電偶的壽命。 熱電偶實際壽命的判斷，通過長期收集和累積實際使用狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，可以得出更準確的結(jié)果[5]。

(2)護套熱電偶的壽命

由于護套熱電偶有護套保護，護套材質(zhì)對護套熱電偶壽命的影響很大，必須根據(jù)用途選擇熱電偶導(dǎo)線和金屬護套。 選擇材質(zhì)后，隨著護套熱電偶直徑的增大壽命也會變長。 鎧裝熱電偶與組裝式熱電偶相比有很多優(yōu)點，但多數(shù)情況下壽命比組裝式熱電偶短。

4 .熱電偶測溫應(yīng)注意的事項

4. 1熱電偶絲斑的影響

(1)熱電偶的材質(zhì)本身不均勻

熱電偶在計量室檢測時，根據(jù)規(guī)程的要求，插入檢測爐內(nèi)的深度僅為300mm。 因此，各熱電偶的檢定結(jié)果，準確地說只能表現(xiàn)距離測定端300mm的燈絲的熱電行為，但是，熱電偶的長度長的情況下，大部分燈絲處于高溫區(qū)域，如果熱電偶的燈絲均質(zhì)，則根據(jù)均質(zhì)電路的規(guī)律，測定結(jié)果與長度無關(guān)。 但是，熱電偶線材不均質(zhì)，特別是廉價的金屬熱電偶線材均質(zhì)性差，在有溫度梯度的情況下，局部產(chǎn)生熱電動勢，將該電動勢稱為寄生電位。 寄生電位引起的誤差稱為不均勻誤差。

現(xiàn)有的貴金屬、廉價金屬熱電偶檢定規(guī)程中，沒有規(guī)定熱電偶的不均勻性，在熱電偶芯線基準中，對熱電偶芯線的不均勻性有一定的要求。 對廉價金屬熱電偶采用首尾檢驗法求出不均勻的熱電動勢。 正規(guī)熱電偶的線材制造商，按照國家的標準，生產(chǎn)不均勻的熱電動勢滿足要求的產(chǎn)品。

(2)使用熱電偶絲后產(chǎn)生的不均質(zhì)性

新型熱電偶可滿足不均勻的熱電動勢要求，但反復(fù)加工彎曲會使熱電偶產(chǎn)生加工變形，失去均勻性，而且即使使用中的熱電偶長期變高，熱電動勢也會因燈絲的劣化而變化。 例如，插入工業(yè)爐的熱電偶沿著燈絲的長度方向劣化，隨著溫度變高劣化變強，劣化的部分處于具有溫度梯度的場所時，寄生電動勢與總熱電動勢重疊，產(chǎn)生測定誤差。

作者在實踐中發(fā)現(xiàn)，某熱電偶在計量部門認定的產(chǎn)品(多為賤金屬熱電偶)在現(xiàn)場使用時不合格。 再次返回計量部門檢定合格，其主要原因是偶然線的不均質(zhì)。 生產(chǎn)熱電偶的技術(shù)人員實際感受到熱電偶的不良率也會隨著其長度的增加而增加。 均受熱電偶線材不均質(zhì)性的影響。 也就是說，不均質(zhì)即寄生電動勢引起的誤差依賴于熱電偶芯線自身的不均質(zhì)度和溫度梯度的大小，其定量極其困難。

4.2護套熱電偶的分流誤差

(1)分流誤差

瓦軸集團碳滲爐用護套熱電偶只能使用一周。 為探討原因，作者曾去過現(xiàn)場，未發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)從爐中取出并通過計量室檢定結(jié)果。 那么問題是什么呢？ zui后，根據(jù)該支熱電偶現(xiàn)場設(shè)置的特點，研究了上述問題是由鞘熱電偶的分流誤差引起的。

所謂分流誤差，是指用鞘熱電偶測量爐溫時，在熱電偶的中間部存在超過800°的c的溫度分布的情況下，其絕緣電阻降低，熱電偶的顯示值變得異常的現(xiàn)象稱為分流誤差。 根據(jù)均質(zhì)電路的規(guī)律，用熱電偶測溫的只有測量端和基準端的兩端溫度，與中間溫度分布無關(guān)。 但是，由于鞘熱電偶的絕緣物為粉末狀MgO，因此溫度每上升100°； c，其絕緣電阻下降一位數(shù)，中間部的溫度高的話一定會產(chǎn)生漏電流，在熱電偶的輸出電位上會出現(xiàn)分流誤差。

表1護套熱電偶產(chǎn)生分流誤差的條件

影響因素條件護套熱電偶的直徑中間部的溫度中間部加熱帶長中間部加熱帶位置絕緣電阻熱電偶芯線電阻直徑越細越容易產(chǎn)生誤差。 中部溫度超過800℃，容易產(chǎn)生分流誤差。 中間部加熱帶的長度越長，越容易產(chǎn)生分流誤差。 中間部加熱帶的位置越遠離測量端，越容易發(fā)生分流誤差的絕緣電阻越低，越容易發(fā)生分流誤差。 ①K型與s型相比，k型熱電偶的導(dǎo)線電阻大于s型，因此容易發(fā)生分流誤差。 ②在外徑相同的鎧裝熱電偶中，熱電偶導(dǎo)線束越細，分流誤差越容易發(fā)生。

(2)產(chǎn)生分流誤差的條件

將鎧裝熱電偶水平插入爐內(nèi)，直徑為ф4.8mm、長度為25m、中間部加熱帶的長度為20m、溫度為1000℃。 在此次實驗中，熱電偶的測量端和中間部的溫度差為200℃。 如果測量端溫度高于中間部分，則產(chǎn)生負誤差。相反，產(chǎn)生正誤差。 若兩者溫度差為200℃，分流誤差約為100℃。 這是不可忽視的，分流誤差的發(fā)生條件與鞘熱電偶的種類和直徑等因素有關(guān)[2]，請參照表1。

4.3分流誤差的影響因素及對策

由于在高溫下護套熱電偶發(fā)生分流誤差的現(xiàn)象受到人們的重視，因此必須采取適當措施來了解分流誤差的影響因素，并減少或消除分流誤差的影響。

(1)護套熱電偶直徑

對于長9米的k型護套熱電偶( MgO絕緣)，只加熱熱電偶的中間部分。 實驗結(jié)果表明，分流誤差的大小與直徑的平方根成反比(直徑越細，不遵守該法則)，即直徑越細，分流誤差越大。

中間部的溫度超過800℃時，在ф3.2mm護套熱電偶中產(chǎn)生分流誤差。 但是，對于ф6.4mm及ф8mm鎧裝熱電偶，中間部的溫度為900℃時，未發(fā)現(xiàn)分流誤差。 在φ6.4mm (熱電極線直徑φ1.4 mm )和φ8mm (熱電極線直徑ф2.0mm )的護套熱電偶中，中間部溫度為1100℃時，直徑φ8mm的護套熱電偶產(chǎn)生的分流誤差僅為φ6.4mm的一半。 該數(shù)值( 50% )近視于兩種鞘熱電偶的線電極徑的平方比(1.42/2.02 )，線電極徑的平方比是線電極的電阻比。 因此，為了減少分流誤差，請選擇直徑盡可能粗的護套熱電偶。

(2)中間部溫度

中間部分的溫度超過800℃時，有可能發(fā)生分流誤差，其大小隨著溫度的上升呈指數(shù)增大。 因此，除測量端以外，盡量不要超過800℃。

當中間部加熱帶的長度和位置中間部加熱帶的溫度超過800℃時，加熱帶的長度變長，越遠離測定端，分流誤差越大。 因此，請盡量縮短加熱帶的長度，不要在遠離測量端的地方加熱，減少分流誤差。

(3)熱電偶絲的電阻

如果護套熱電偶的直徑相同，分流誤差會隨著熱電偶導(dǎo)線束的電阻增大而增大。 因此，較好采用電阻小的熱電偶絲。 例如，直徑相同的s型鎧裝熱電偶與k型熱電偶相比，分流誤差減少了40%。 因此，應(yīng)用s型熱電偶可測量爐內(nèi)溫度場的分布，費用高，但正確。

(4)絕緣電阻

在高溫下，氧化物的電阻率隨著溫度的上升而呈指數(shù)下降，分流誤差的大小主要依賴于高溫部分的絕緣性能，絕緣電阻越低越容易發(fā)生分流誤差。 絕緣電阻變?yōu)?0倍或1/10時，其分流誤差也變?yōu)?/10或10倍。 為了減少分流誤差，請采用直徑盡可能粗的護套熱電偶，加厚絕緣層的厚度。 上述措施無效的，應(yīng)采用裝配式熱電偶。

4.4短程有序結(jié)構(gòu)變化( k狀態(tài))的影響

k型熱電偶在250℃的600℃溫度范圍內(nèi)使用時，其微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成短距離有序結(jié)構(gòu)，因此對熱電勢值產(chǎn)生影響，即所謂的k狀態(tài)[3]。 Ni是Cr合金特有的晶格變化，Cr含量為5時在30%的范圍內(nèi)存在原子晶格的無序變化。 由此產(chǎn)生的誤差隨Cr含量和溫度而變化。 將k型熱電偶從300℃加熱到800℃，每50℃取一點，測量該點的電位。 在450℃時偏差zui可達到4℃，在450℃時在600℃范圍內(nèi)，均為正偏差。 由于k狀態(tài)的存在，k型熱電偶的升溫或降溫檢測結(jié)果不一致，廉潔金屬熱電偶檢測規(guī)程明確規(guī)定了檢測步驟:從低溫升溫檢測到高溫。 而且，在400℃檢測點，不僅傳熱效果差，而且難以達到熱平衡，正好在k狀態(tài)誤差zui的廣泛范圍內(nèi)。 因此，在對這一點進行合格與否判定時必須慎重。

ni>； Cr合金的短程有序結(jié)構(gòu)變化的現(xiàn)象，不僅存在于k型，也存在于e型熱電偶的正極。 但是，變化量e型熱電偶只有k型的2/3。 也就是說，k狀態(tài)與溫度、時間有關(guān)，溫度分布和熱電偶的位置發(fā)生變化時，其偏差也會發(fā)生較大變化。 很難正確地評價偏差的大小。

4.5使用環(huán)境的影響

(1)選擇氧化

對于含有Fe ni，Cr合金在氧分壓低于特定值時，與O2親和力大的Cr被選擇性地氧化，這是因為ni>； Cr合金特有的晶界氧化。 用顯微鏡觀察外表面氧化層，可看到綠色析出物，該現(xiàn)象一般為&ldquo； 綠色蝕刻&rdquo； 的雙曲馀弦值。 特別是溫度為800℃時在1050℃的范圍內(nèi)，如果體系內(nèi)含有CO、H2等還原性氣體，則k型熱電偶的正極更容易發(fā)生選擇性氧化。 這種Cr含量下降引起的熱電勢下降，成為k型熱電偶在熱處理行業(yè)長期使用的限制因素。

如果氣體純凈，系統(tǒng)不含氧，就可以延長熱電偶的壽命。 但是，熱電偶芯線表面有氧化層的話，能夠供給Cr的選擇氧化的氧。 因此，在非氧化性環(huán)境下使用時，請使用干凈研磨過的偶數(shù)線。 同時，請盡量避免在含有微量氧氣的惰性氣體和氧分壓低的空氣中使用。 當保護管長徑較大(即保護管較細)時，因空氣循環(huán)不良而成缺氧狀態(tài)，其殘留少量氧仍能為Cr的選擇氧化提供條件。

(2)選擇性氧化的對策

為了防止或緩和k型熱電偶的選擇氧化引起的劣化，除了材質(zhì)上改善之外，還應(yīng)該在熱電偶的結(jié)構(gòu)上采取對策

選擇與氧的親和性強于Cr的金屬作為吸氣劑，封入保護管內(nèi)，防止Cr的選擇氧化，也可以通過增加保護管的直徑或噴氣的方法增加氧含量。 組裝式熱電偶的具體化。 作者研制出產(chǎn)品實體碳滲透爐用熱電偶，即具有密封結(jié)構(gòu)的組合式熱電偶，可以防止Cr的選擇氧化，經(jīng)過瓦軸集團、一汽、二汽、易卜生工業(yè)爐、沉重、沉齒、錢江摩托車等十多家企業(yè)多年使用證明，該方案是有效的。 壽命超過12個月，用戶滿意[4]。 (3)使用環(huán)境的影響

熱電偶的穩(wěn)定性根據(jù)使用溫度、環(huán)境而不同，同種類的傳感器，例如k型熱電偶的zui高使用溫度也根據(jù)直徑而變化，直徑相同的k型熱電偶也根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，穩(wěn)定性有很大差異。 選擇熱電偶時，關(guān)于使用條件，必須考慮以下幾點

常用溫度和zui高使用溫度氧化還原等使用環(huán)境的耐振動性能對于組裝式熱電偶來說，環(huán)境的影響首先取決于保護管材質(zhì)和熱電偶結(jié)構(gòu)，因此需要熟悉各種保護管材料的物理化學(xué)性能。 例如，在粉末冶金行業(yè)，鉬管常用作熱電偶保護管。 在1600℃的H2氣氛中，使用效果很好。 但鉬管在氧化性氣氛下，短時間內(nèi)會因氧化而腐蝕。 其次，根據(jù)使用環(huán)境選擇合適的熱電偶，在1300℃以上的氧化性環(huán)境中選擇鉑銠熱電偶，在還原性、真空條件下采用鎢錸熱電偶。

關(guān)于k型熱電偶，適合在空氣、O2等氣氛下工作，但是在H2中使用時，其表面被還原成H2，短時間內(nèi)沒有影響，長時間暴露在H2中時，在加速還原的同時，偶數(shù)絲晶粒生長而斷線.在CO和氣體等還原性氣氛下，其劣化顯著加速，極端惡化。 在鞘熱電偶中，氫的原子半徑小，容易通過夾套進入內(nèi)部，同樣會加速劣化，熱電勢值大幅度降低。

(4)絕緣電阻的影響

熱電偶用絕緣物在高溫下，其絕緣電阻隨著溫度上升急劇下降，因此產(chǎn)生漏電流，該電流通過絕緣電阻下降的絕緣物流流入儀表，儀表的指示變得不穩(wěn)定，或者產(chǎn)生測量誤差，儀表有可能被亂打。

本文熱電偶高頻詞： 誤差  測量 

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