热电偶的使用及测量

热电偶的正确使用及测量误差热电偶是一种最简单、最普通的温度传感器。在使用时不注意，也会引起较大测量误差。详细探讨影响测量误差的主要因素：热电偶插入深度、响应时间、热辐射及状态、使用气氛、绝缘电阻及热电偶劣化等在使用中应注意事项。对提高测量精度，在现有的测温系统中，最常用的温度传感器一热电偶，因其结构简单，往往被误认为“热电偶两根线，接上就完事”，其实并非如此。热电偶的结构虽然简单，但在使用中仍然会出现各种问题。例如：安装或使用方法不当，将会引起较大的测量误差，其至检定合格的热电偶也会因操作不当，在使用时不合格，在渗碳等还原性气氛为了提高测量精度，减少测量误差，延长热电偶使用寿命，要求使用者不仅应具备仪表方面的操作技能，而且还应具有物理、化学及材料等多方面知识。作者根据多年实践，并参阅有关资料较详细地介绍热电偶的正确使用及测量误差。2.测量误差的主要影响因素•测温点的选择。热电偶的安装位置，即测温点的选择是最重要的。测温点的位•插入深度。热电偶插入被测场所时，沿着传感器的长度方向将产生热流。当环境温度低时就会有热损失。致使热电偶与被测对象的温度不一致而产生测温误差。总之，由热传导而引起的误差，与插入深度有关。而插入深度乂与保护管材质有关。金对象是静止或流动等状态有关，如流动的液体或高速气流温度的测量，将不受上述限接触法测温的基本原理是测温元件要与被测对象达到热平衡。因此，在测温时需要保持一定时间，才能使两者达到热平衡。而保持时间的长短，同测温元件的热响应对于温度不断变化的被测场所，尤其是瞬间变化过程，全过程仅1秒钟传感器的响应时间在毫秒级。因此，普通的温度传感器不仅跟不上被测对象的温度变化速度出现滞后，而且也会因达不到热平衡而产生测量误差。最好选择响应快的传感器。对热电偶而言除保护管影响外，热电偶的测量端直径也是其主要因素，即偶丝越细，测量端直径越小，其热响应时间越短。测温元件热响应误差可通过下式确定T—时间常数ST铠装式热电偶响应时间的实验结果，可供参考［1］。为了提高检定效率许多企业采用自铠装热电偶外径温度变化范围插入炉内用于测温的热电偶，将被高温物体发出的热辐射加热。假定炉内气体是透明的，而且，热电偶与炉壁的温差较大时，将因能量交换而产生测温误差。在单位时间内，热电偶同周围的气体(温度为T),通过对流及热传导将发生热量因此，为了减少热辐射误差，应增大热传导，并使炉壁温度Tw,尽可能接近热电•热电偶安装位置，应尽可能避开从固体发出的热辐射，使其不能辐射到热电偶在高温下使用的热电偶，如果被测介质为气态，那么保护管表面沉积的灰尘等将烧熔在表面上，使保护管的热阻抗增大；如果被测介质是熔体，在使用过程中将有炉渣沉积，不仅增加了热电偶的响应时间，而且还使指示温度偏低。因此，除了定期检定外，为了减少误差，经常抽检也是必要的。例如，进口铜熔炼炉，不仅安装有连续测温热电偶，还配备消耗型热电偶测温装置，用于及时校准连续测温用热电偶的准确o热电行为，然而，当热电偶的长度较长时，则大部分偶丝处于高温区，如果热电偶丝是均质的，那么依据均质回路定则，测量结果与长度无关。然而，热电偶丝并非均将产生热电动势，该电动势称为寄生电势。山寄生电势引起的误差称为不均质误差。在现有的贵金属、廉金属热电偶检定规程中，对只有在热电偶丝材标准中，对热电偶丝的不均匀性有一定要求。对廉金属热电偶釆用首尾检定法求出不均匀热电动势。正规热电偶丝材生产厂，均按国家标准要求，生产致使热电偶产生加工畸变，也将失去均质性，而且使用中热电偶长期处于高温下也会因偶丝的劣化而引起热电动势变化，例如：插入匸业炉中的热电偶，将沿偶丝长度方向发生劣化，并随温度增高，劣化增强，当劣化的部分处于具有温度梯度的场所，也将产生寄生电动势叠加在总热电动势中而出现测量误差。作者在实践中发现有的热电偶经计•量部门检定合格的产品（多为廉金属热电偶）到现场使用时却不合格。再返回到讣量部门检定仍然合格，其中主要原因就是偶丝不均质引起的。生产热电偶的技术人员都切身体会到，热电偶的不合格率也随其长度的增加而增加。皆是受热电偶丝材不均质的影响。总之，山不均质即寄生电动势引起的误差，取决于热电偶丝自身的不均质程度及温度梯度的大小，对其定量极其困瓦轴集团渗碳炉用铠装热电偶，仅使用一周就不准了。为探讨原因，作者曾到现场考察，但未发现异常，只好从炉子上取下来经计量室检定结果合格。那么问题何在呢？最后，根据该支热电偶的现场安装特点，经研究发现，上述问题是铠装热电偶的度分布存在时，因其绝缘电阻下降，热电偶示值出现异常的现象，称为分流误差。依据均质回路定则，用热电偶测温只与测量端与参考端两端温度有关，与中间温度分布一个数量级，当中间部位温度较高时，必定有漏电流产生，致使在热电偶输出电势中◎AZL)"V度置中间部位加热带位置距测量端越远，越容易产生分流误差差。②外径相同的铠装热电偶，热电偶丝越细，越容易产生分流误差。高温下铠装热电偶产生分流误差的现象，正在引起人们的重视，因此有必要了解分流误差的影响因素，并采取适当对策以减少或消除分流误差的影响。），验结果表明：分流误差的大小与其直径的平方根成反比（直径过细，不遵守此规律），此，为了减少分流误差，应尽可能选用粗直径的铠装热电偶。分流误差越大。因此，应尽可能缩短加热带长度，并且，不要在远离测量端处加热，以当铠装热电偶的直径相同时，分流误差将随热电偶丝的电阻增大而增加。因此，采用电阻小的热电偶丝更好。例如：直径相同的S型铠装热高温下氧化物的电阻率将随温度的升高呈指数降低，分流误差的大小主要取决于高温部分的绝缘性能，绝缘电阻越低,越容易产生分采用直径粗的铠装热电偶，增加绝缘层厚度。如果上述措施无效时，只好采用装配式热］：复。山于K状态的存在，使K型热电偶在升温或降温检定结果不一致，故在廉金属热电不仅传热效果不佳，难以达到热平衡，而Ni-Cr合金短程有序结构变化的现象，不仅存在于K型，而且，在E型热电时间有关，当温度分布或热电偶位置变化时，其偏差也会发生很大变化。故难以对偏差选择性氧化，这是Ni-Cr合金特有的晶界氧化。如用显微镜观察外表面氧化层，就可以化。这种因Cr含量降低而引起的热电势偏低，已成为K型热电偶在热处理行业长期使用如果采用的气体很纯，并且系统中不含氧，可以延长热电偶使用寿命。可是，如果热电偶丝表面有氧化层时，仍可为Cr的选择性氧化提供足够的氧。因此，在非氧化性气氛中使用时，应采用干净、抛光的偶丝。同时，应尽可能避免在带有微量氧的惰性气体或氧分压很低的空气中使用。当保护管长径比较大时（即保护管很细），由于空气循环•正常的K型热电偶丝，应为银灰色，并带有金属光泽，如发生选择性氧化，则在K型偶正极通常不亲磁，但氧化后带有磁性。为了防止或减缓K型热电偶因选择性氧化而引起劣化，除了在材质方面加以改善择性氧化，也可以采用增加保护管直径或吹气的方法增加氧含量。•装配式热电偶实体化。作者开发的专利产品一实体型渗碳炉用热电偶，即开发热电偶的稳定性，因使用温度，气氛不同各异，对同一种传感器，如K型热电偶的最高使用温度也因直径不同而变化，直径相同的K型热电偶也因结构的不同，其稳对于装配式热电偶而言，气氛的影响，首先取决于保护管材质及热电偶结构，因此，熟悉、掌握各种保护管材料的物理、化学性能是很必要的。例如：在粉末然而，钳管在氧化性气氛下，很短时间就因氧化而蚀损。其次，应根据使用气氛，选H2还原，短时间无影响，如果长时间暴露在H2中对于铠装热电偶，氢的原子半径很小，容易透过外套进入其内部，同样也将加速热电偶用绝缘物，在高温下，其绝缘电阻随温度升高而急骤降低，因此，将有漏电流产生，该电流通过绝缘电阻已经下降的绝缘物流入仪表，使仪表指示不稳或产生偶经使用后，出现老化变质的现象。由金属或合金构成的热电偶，在高温下其内部晶圉环境中的还原或氧化性气体也要发生反应。伴随上述变化，热电偶的热电动势也将极其墩感的发生变化。因此热电偶的劣化现象是不可避免的。热电偶的劣化是一个量变过程，对其定量很困难，将随热电偶的种类、直径、使用温度、气氛、时间的不同而变化。热电偶的使用寿命是指热电偶劣化发展到超过允热电动势的变化。但是，尚未发现对使用寿命有规定。日本有关热电偶使用寿命的要在实际使用时，装配式热电偶通常有保护管，只有在特殊情况下才裸丝使用。因此，在多数场合下，保护管的寿命决定了热电偶寿命。对热电偶的实际使用寿命的判断，必须是通过长期收集、积累实际使用状态下的数据，才有可能给出较准确的结果山于铠装热电偶有套管保护与外界环境隔绝，因此套管材质对铠装热电偶的寿命影响很大，必须根据用途选择热电偶丝及金属套管。当材质选定后，其寿命乂随着铠装热电偶直径的增大而增加。铠装热电偶同装配式热电偶相比，虽有许多优点，但也偶适合于弱氧化和还原气