对热电偶温度计量误差与修正方法的分析

1、113科技资讯 科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION 2011NO.17工业技术工业上测量温度用的感温元件种类繁 多 , 热电偶是其中应用最广泛一种。 由于其 具有结构简单、 使用方便、 测温范围广和价 格 相 对 便 宜 等 优 点 , 所 以 在 温 度 测 量 中 广 泛应用。 在实际工作中 , 我们利用热电偶作 为 感 温 元 件 , 当 其 工 作 端 与 参 考 端 有 温 差 时 , 热 电 偶 将 产 生 热 电 势 , 通 过 与 测 量 电 势 的 二 次 测 温 仪 表 配 合 使 用 , 则 可 实 现 远 距 离 测 温 。 由

2、于 热 电 偶 自 身 存 在 众 多 影 响 其 测 量 结 果 的 因 素 , 要 得 到 准 确 测 量 结 果 , 就 必须对热电偶性能及使用方法有一个正确 的了解。1 影响热电偶测量准确度因素及清除方法1. 1热电偶热电特性不稳定所引起的误差 及 消 除 方 法热 电 偶 使 用 过 一 定 时 间 后 , 其 热 电 特 性 将 会 发 生 变 化 , 如 果 变 化 显 著 , 则 利 用 此 热 电 偶 测 出 的 温 度 将 远 远 偏 离 真 实 温 度 。 影 响 热 电 偶 稳 定 性 的 主 要 因 素 有 :(1环境 对 热 电 偶 电 极 的 玷 污 和 腐 蚀

3、;(2热 电 极 受 外 力 作 用 而 产 生 的 变 形 所 引 起 的 形 变 应 力 ;(3热电极在高温下晶粒长大 ;(4热电极 在使用中发生氧化等。1. 2玷污与应力的影响及消除方法热 电 偶 在 生 产 过 程 中 , 偶 然 经 过 多 道 缩 径 拉 伸 , 不 可 避 免 存 在 应 力 及 晶 格 不 均 匀性 , 可 以 通 过 退 火 的 方 法 来 基 本 消 除 , 退 火 不 合 格 所 造 成 的 误 差 , 可 达 十 分 之 几 度 到 几 度 。 它 与 待 测 温 度 及 热 电 偶 电 极 上 的 温 度 梯 度 大 小 有 关 。 廉 金 属 热 电

4、 偶 的 偶 丝 通 常 以 “ 退 火 ” 状 态 交 付 使 用 , 退 火 温 度 应 高 于 其 使 用 温 度 上 限 , 插 人 深 度 也 庆 大 于 实 际 使 用 的 深 度 。 贵 金 属 热 电 偶 则 必 须 认 真清洗 (酸洗和四硼酸钠清洗 和退火 , 以清 除热电偶的玷污与应力。 1. 3不均匀性的影响热电偶的均匀性是指热电偶热电极材 料 的 均 匀 程 度 。 热 电 偶 两 热 电 极 若 是 均 匀 的 , 则 热 电 偶 回 路 的 热 电 势 只 与 两 端 温 度 差 有 关 , 而 与 沿 热 电 极 长 度 的 温 度 梯 度 无 关 , 若 两 热

5、 电 极 材 料 不 均 匀 , 热 电 偶 回 路 就 会 产 生 一 个 附 加 热 电 势 。 从 而 降 低 了 测 温 的 准 确 性 , 产 生 测 量 误 差 。1. 4减少热电偶不稳定性所带来的误差方 法热 电 偶 在 测 温 过 程 中 , 由 于 受 到 测 量 环境、 气氛、 使用温度以及保护管材料的玷 污 等 影 响 , 使 用 一 段 时 间 后 , 其 热 电 特 性 将 会 发 生 变 化 , 尤 其 是 在 高 温 、 腐 蚀 性 气 氛 中。 这时经常进行监督性校验 , 或根据实际 使 用 情 况 安 排 周 期 检 定 , 则 可 减 少 不 稳 定 性 引

6、 人 的 误 差 。2 参考端温度变化所引起的误差及修正 方法热 电 偶 只 有 在 参 考 端 保 持 0 时 产 生 的 热 电 势 才 能 直 接 反 映 工 作 端 温 度 。 在实 际使用热电偶时 , 其冷端温度 (参考端 不但 不为 0而且往往是变化的 , 测温仪表所测 得 的 温 度 值 就 会 产 生 很 大 误 差 , 在 这 种 情 况下 , 我 们 通 常 采 用 如 下 方 法 来 修 正 。 2. 1补偿导线采用补偿导线把热电偶的参考端延长 到温度较恒定的地方 , 再进行修正。 其原理 如图 1所示。此时参考端已变为一个温度不变或变化 很小的新参考端。 则热电偶产生的

7、热电势为 :(11000(T AB AB E E T T E T T =+、 此时的热电偶产生热电势已不受原参 考 端 温 度 变 化 影 响 , (100AB E T T , 是 新 参 考 端 温度 10T ( 0 , 且 10T 为 一 常 数 时 所 测 得 热 电 势 , (100AB E T T 是 参 考 端 温 度 0T =0 , 工 作 端 为 10T 时 所 测 得 热 电 势 (热 电 偶 分 度 表 中 可查出 。2. 2参考端温度补偿器其工作原理如图 2所示。补 偿 器 是 一 个 不 平 衡 电 桥 , 电 桥 的 三 个桥臂电阻是电阻温度系数很小的锰铜丝 绕 制

8、的 。 其 阻 值 基 本 上 不 随 温 度 变 化 而 变 化 , 并 使 1231R R R =。 另 一 个 桥 臂 电 阻 1R 是 由 电 阻 温 度 系 数 较 大 的 铜 绕 制 而 成 , 并使其在 20时 111R R =, 此时电桥 平衡 , 没 有 电 压 输 出 , 当 电 桥 所 处 温 度 发 生 变化时 , 1R 的阻值也随之改变 , 于是就有不 平 衡 电 压 输 出 , 此 输 出 电 压 来 抵 消 参 考 端 温度变化击产生的热电热电势误差。3 热电偶正确使用方法由 以 上 分 析 可 以 看 出 , 热 电 偶 的 测 量 误 差 不 仅 和 其 自

9、身 的 物 理 性 能 有 关 , 还 与 其 使 用 方 法 是 否 正 确 有 关 。 热 电 偶 安 装 和 使 用 不 当 , 不 但 会 增 加 测 量 误 差 , 还 可 降 低 热电偶的使用寿命。 因此 , 根据测温范围和 工 作 环 境 , 正 确 安 装 和 合 用 热 电 偶 是 一 个 重要问题。(1热 电 偶 应 选 择 合 适 的 安 装 地 点 。 将 热电偶装于温度较均匀且能代表工作温度 地方。 不应装在加热源太近的地方 , 应尽可 能 避 开 强 磁 场 和 电 场 。 热 电 偶 原 参 考 端 尽 量 避 免 温 度 过 高 。(2热 电 偶 插 人 温 场

10、 深 度 要 适 合 , 一 般 不应小于 200mm 热电偶保护管与炉壁之间 的 空 隙 , 须 用 耐 火 泥 堵 塞 , 以 免 空 气 对 流 影 响 测 温 准 确 性 。(3贵 金 属 热 电 偶 , 不 能 在 还 原 气 体 中 测 温 。(4在 小 直 径 管 道 中 安 装 热 电 偶 时 , 热 电 偶 工 作 端 一 般 迎 着 热 流 方 向 , 在 大 直 径 管道中安装热电偶时 , 热电偶应垂直管壁。(5热 电 偶 应 尽 可 能 保 持 垂 直 使 用 , 以 防保护管在高温下变形。 若需水平安装时 , 插 人 深 度 不 应 大 于 500mm, 露 出 部

11、分 应 采 用 架 子 托 牢 , 并 在 使 用 一 段 时 间 后 , 将 其 旋 转 180°。4 结语通 过 上 述 误 差 来 源 的 综 述 , 使 我 们 对 以热电偶为感温元件的温度计量误差情况 有 了 系 统 认 识 , 得 出 了 如 下 结 论 :热 电 偶 的 不稳定性、 不均匀性、 参考端温度变化以及 热 电 偶 安 装 使 用 不 当 都 可 以 引 起 测 量 误 差 , 还 使 我 们 了 解 到 要 想 提 高 温 度 测 量 的 准 确 应 从 哪 些 方 面 考 虑 问 题 , 这 对 我 们 今 后的温度计量工作十分有益。通过以上分析可以使我们对以热电偶 为感温元件的温度计量误差情况有了系统 认识 , 得出了对热电偶的不稳定性、 不均匀 性、 参 考 端 温 度 变 化 以 及 热 电 偶 安 装 使 用 不 当 都 可 以 引 起 测 量 误 差 , 还 使 我 们 了 解 到要想提高温度测量的准确应从哪些方面 考 虑 问 题 , 这 些 都 是 对 我 们 今 后 的 温 度 计 量 工 作 十 分 有 益 的 。对热电偶温度计量误差与修正方法的分析蔡 锡 松(广东省计量科学研究东莞分院 广东东莞 5