影響熱電偶測量準確度因素的幾點分析

摘 要：日常的測量參數(shù)中，溫度是最經(jīng)常要求準確測量的一個參數(shù).不論用何種溫度測量儀器來測量溫度，都要求測量準確、經(jīng)濟、測量數(shù)值穩(wěn)定，不易受外界各種不利因素的影響.在熱電偶溫度計的設(shè)計和使用中，使其測量精度達到最高，一直是人們所追求的目標。眾多的干擾因素一直影響著熱電偶溫度計的測量精度.要想準確測量溫度，正確使用熱電偶溫度計，只有清楚熱電偶溫度計的工作方式，消除各種不利因素，才能達到最佳工作狀態(tài)，為生產(chǎn)、生活提供便利.

關(guān)鍵詞：熱電偶測量準確度因素

中圖分類號：TH81文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）02（c）-0000-00

熱電偶由于具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，測量方便等優(yōu)點，故在工業(yè)溫度測量中得到廣泛應(yīng)用，但是，要得到正確的測量結(jié)果，必須認識了解熱電偶的特性和正確使用，否則將會在測量中帶來很大的誤差。下面從幾個方面闡述影響熱電偶測量不穩(wěn)定因素：

1 熱電偶熱電特性不穩(wěn)定的影響

1.1 沾污與應(yīng)力的影響

（1）熱電偶在生產(chǎn)加工過程中，偶絲經(jīng)過多道縮徑拉伸在其表面總是受沾污的。同時，從偶絲內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看。不可避免地存在應(yīng)力及晶格的不均勻性。這些物理狀態(tài)的不一致性，對偶絲的塞貝克系數(shù)有影響，影響熱電偶示值的不穩(wěn)定性。所以，一支退火不合格的熱電偶，不可能用來準確的測溫。因淬火或冷加工引入的應(yīng)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誤差，可達十分之幾度到幾度的變化。它與待測溫度和熱電偶電極上的溫度梯度大小有關(guān)。廉價金屬熱電偶絲通常以“退火”狀態(tài)交付使用，如果需要對高溫用廉價金屬熱電偶進行退火，那么，退火溫度應(yīng)高于使用溫度的上限，插入深度也應(yīng)大于實際使用深度。

（2）對于作為基準和標準用的熱電偶，在分度時最好在每一個分度點后都進行退火。對貴金屬熱電偶來說，退火程序是很重要的。在標準熱電偶的檢定規(guī)程中規(guī)定，標準熱電偶在檢定前，必須先進行清洗和退火，以消除熱電偶的沾污和應(yīng)力，從而改善了偶絲材料的金相組織，達到了提高測量穩(wěn)定性。

1.2 不均勻性的影響

（1）在熱電偶的理論中指出，由均質(zhì)導體制成的熱電偶，其熱電勢與兩端溫度有關(guān)，而與沿熱電極長度的溫度分布無關(guān)。若熱電極材料不是均勻的，兩熱電極又處于溫度梯度場中，則熱電偶會產(chǎn)生一個附加熱電勢，即稱為“不均勻電勢”。不均勻電勢的大小取決于沿熱電極長度的溫度梯度分布狀態(tài)，材料的不均勻形式和不均勻程度，以及熱電極在溫度場所處的位置。

（2）造成熱電極不均勻的原因，主要是化學成分和物理狀態(tài)兩方面，在化學成分方面如雜質(zhì)分布不均勻，成分的偏析，熱電極表面局部的金屬揮發(fā)，氧化或某金屬元素選擇性氧化，測量在高溫下的熱擴散，以及熱電偶在有害氣氛中受到沾污和腐蝕等。在物理狀態(tài)方面有應(yīng)力分布不均勻和電極結(jié)構(gòu)不均勻等。在工業(yè)中使用的熱電偶，有時不均勻性電勢引起的附加誤差竟達20℃多度。這將嚴重地影響熱電偶的穩(wěn)定性和互換性，所以均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要指標之一。

2 熱電偶自身不穩(wěn)定性的影響

不穩(wěn)定性就是熱電偶的分度值，隨時間和使用條件的不同而引起的變化。在大多數(shù)情況下，它可能是不準確性的主要原因。

如果分度值的變化相對地講是緩慢而又均勻的，這是經(jīng)常進行監(jiān)督性校檢（如標準熱電偶），或根據(jù)實際使用情況安排周期檢定，這樣可以減少不穩(wěn)定性引入的誤差。

2.1 影響不穩(wěn)定性因素

（1）沾污前面已討論過偶絲將影響熱電偶的塞貝克系數(shù)。偶絲材料往往受到環(huán)境氣氛或保護管雜質(zhì)沾污，不同程度的沾污所產(chǎn)生的附加電勢也不同，這種附加電勢將改變原來的分度特性，這是造成熱電偶示值不穩(wěn)定的一個因素。例如，鉑銠10-鉑熱電偶，當使用的陶瓷管中含有鐵的雜質(zhì)，鉑銠絲受鐵沾污后，就影響其熱電特性；當在含硅的高溫還原性氣氛中使用時，由于硅被還原成自由硅而與鉑銠絲化合成為鉑硅化合物，使偶絲變脆。檢定標準熱電偶所用的絕緣瓷管都要求用王水清洗，高溫烘烤并規(guī)定正、負極的穿孔極性。若在常用的管中把熱電極的正、負極穿錯，原穿鉑銠孔中的鉑，會向鉑極滲透而改變標準熱電偶的熱電特性。上述種種情況都會影響熱電偶的穩(wěn)定性。

（2）熱電極在高溫下?lián)]發(fā) ，熱電偶的偶絲材料多數(shù)是合金材料，由于各組分材料的蒸氣壓不同，所以揮發(fā)的程度也不同，在高溫下使用一定時間后，合金成分比例就有所改變，這將導致熱電勢產(chǎn)生明顯變化。

（3）氧化還原 許多熱電偶的不穩(wěn)定性是由于偶絲氧化造成的。銅-康銅、鐵-康銅、鎳鉻-鎳硅等熱電偶都能與氧化發(fā)生反應(yīng)。如果熱電極是均勻氧化，影響可能小一些；若是具有擇優(yōu)氧化，則其影響是很嚴重的。在低氧分壓中（即缺氧的情況下），鎳鉻電極中的鉻將產(chǎn)生擇優(yōu)氧化而改變偶絲的組合成分。

（4）脆化 脆化是熱電偶報廢的最普遍因素。沾污，晶粒生長，氧化（例如鎳鉻-鎳鋁）和長期使用于高溫下再結(jié)晶（如鎢）等因素，都可能導致偶絲的脆化。

（5）輻射熱電偶工作在原子反應(yīng)堆中，受到中子轟擊后，偶絲材料中如果有一種或幾種元素發(fā)生蛻變（例如銠蛻變?yōu)殁Z），改變了偶絲的成分，使熱電特性發(fā)生了明顯的變化。

2.2 熱電偶的穩(wěn)定性檢測

（1）檢查新制標準熱電偶熱電動勢的穩(wěn)定性，是將熱電偶放入退火爐中，使從測量端起400mm的一段處于某一要求溫度的均勻中進行兩次退火1～2小時，第一次退火可消除熱電偶的內(nèi)應(yīng)力，取出后在規(guī)定的溫度下測量其熱電勢，然后再放入退火爐中，按上述方法再進行一次退火，取出后再測其電動勢，以第二次退火前后（在同一規(guī)定的溫度點）兩次熱電動勢之差作為評價標準，若不超過測量點要求即為合格。

（2）使用中的標準熱電偶，其熱電動勢的穩(wěn)定性，是以檢定測得的熱電動勢和上一次檢定結(jié)果比較，若不超過允許變化誤差值，即為合格。

3 參考端溫度的影響

熱電偶的熱電動勢的大下與熱電極材料以及工作端的溫度有關(guān)。熱電偶的分度表和根據(jù)分度表的溫度顯示儀表都是以熱點偶參考端溫度等于0℃為條件的。所以在使用時必須遵循這一條件。如果參考端溫度tn不等于0℃，盡管被測溫度t恒定不變，熱電勢EAB (t，tn)也將隨著參考端溫度tn的變化而變化。其變化大小可根據(jù)熱電偶的中間溫度定律求得。

EAB(t，tn)=EAB (t，tn)+EAB(tn，to)

當to>0℃時，此時熱電偶的熱電動勢減少了EAB(tn，to)，因而將使測量儀表的示值下降。因此，當參考端溫度不等于0℃時，對被測溫度的準確性有著十分重要的影響。

用熱電偶測溫時，要使參考端溫度保持在0℃比較麻煩，一般只有在實驗室作精密測溫時才有必要。通常在工程測量中，參考端溫度大都處在室溫或波動的溫區(qū)，這時，要測出實際溫度。就必須采取修正或補償?shù)却胧?/p>

補正方法有幾種方式：熱電勢補正法、溫度補正法、調(diào)儀表起始點法、補償導線法、參考端溫度補償器。都可以達到修正測量結(jié)果。

4 傳熱影響

當熱電偶插入被測介質(zhì)（如氣流）時，它要從被測介質(zhì)吸收熱量使自身溫度升高，同時它又以熱輻射方式和熱傳導方式向溫度低的地方散發(fā)熱量。由于熱電偶傳熱影響，使得熱電偶達不到吸收熱量的情況下所應(yīng)該達到的溫度。經(jīng)過若干時間以后，當測量端向外散失的熱量等于自氣流中吸收的熱量時，即達到動態(tài)平衡，此時熱電偶達到了穩(wěn)定的示值。但此示值并不代表氣流的真實溫度，因為測量端環(huán)境散失的熱量是由于氣流的加熱來補償，也就是說，測量端與環(huán)境的傳熱愈強，測量端的溫度偏離氣流溫度也愈大。在這種情況下，如仍以熱電偶的指示溫度T偶來表示氣流溫度T氣，勢必引入（T氣-T偶）誤差，即傳熱誤差。

5 動態(tài)響應(yīng)誤差

熱電偶插入被測介質(zhì)后，由于本身具有熱惰性，因此不能立即指示出被測氣流的溫度，其示值Ta將逐漸上升，一直到測量端吸熱，放熱達到動平衡后才達到穩(wěn)定的示值Ta∞。在熱電偶插入后到示值穩(wěn)定之前的整個不穩(wěn)定過程中，熱電偶的瞬時示值T測與穩(wěn)定后的示值T∞存在著偏差，這時熱電偶除了有各種穩(wěn)定的誤差外，還存在有熱電偶熱惰性引入的偏差(即T測-T∞)，這一偏差稱為動態(tài)響應(yīng)誤差，用△T動表示。

△T動=T測-Ta∞=τdT測/dt

式中：τ——熱電偶的時間常數(shù)

為了簡化起見，以下討論時均假設(shè)沒有其它誤差因素的影響，即T∞= T氣，于是τdT測/dt +T測= T氣

如果被測溫度是不隨時間變化的穩(wěn)態(tài)測量，只要熱電偶插入后經(jīng)過足夠長的時間，待其示值穩(wěn)定后再進行讀數(shù)，便可避免動態(tài)誤差的影響。

6 測量系統(tǒng)漏電影響

絕緣不良是產(chǎn)生電流泄露的主要原因，它對熱電偶測溫的準確度有很大的影響，能歪曲被測的熱電勢，使儀表顯示失真，甚至不能正常工作。漏電引起誤差是多方面的，例如熱電極絕緣瓷管的絕緣電阻較差，能使熱電流旁路，使熱電偶的端電壓下降，但這個影響是較小的。若電測設(shè)備漏電，也能使工作電流旁路，使測量產(chǎn)生誤差。

從以上論述幾點不穩(wěn)定因素，是熱電偶測量溫度中，不可不認識的問題，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，熱電偶在生產(chǎn)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，對其熱電偶的使用要求越來越精準，因此了解掌握熱電偶其特性及應(yīng)用，才能準確達到我們所需要的各種測量目的。