熱電偶不均勻性及實驗測試方法的分析研究

摘要：熱電偶不均勻性是影響熱電偶測溫準(zhǔn)確度的主要因素，因此在使用之前需對熱電偶的性能以及使用方法等具有深刻的認識。本文探討了熱電偶不均勻性的表現(xiàn)形式以及影響因素，提出了測試熱電偶不均勻性的方法。

關(guān)鍵詞：熱電偶 不均勻性 實驗測試方法 分析與研究

中圖分類號：TM1文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X（2012）08（c）-0084-01

熱電偶是工業(yè)中[1]測量溫度所采用的最廣泛的一種感溫元件。當(dāng)將熱電偶作為感溫元件應(yīng)用在實際工作中時，由于電偶的參考端以及工作端之間存在溫差，從而產(chǎn)生了熱電勢。將熱電偶和測量電勢的二次測溫儀結(jié)合使用，可以實現(xiàn)遠距測溫。但由于熱電偶存在著材料等眾多影響測量結(jié)果準(zhǔn)確度的因素，因此在使用的時候要首先了解它的使用特點和性能。

在熱電偶測溫準(zhǔn)確度的影響因素中，熱電偶不均勻性是最關(guān)鍵的。如果熱電偶的熱電極材料是均勻的，那么它的回路熱電勢只與兩端溫度有關(guān)，而不受電極整一段長度溫度分布的影響。如果熱電極材料不均勻，則回路中會有附加熱電勢的產(chǎn)生，從而影響熱電偶回路中的總熱電勢。因此，熱電偶均勻性通常被作為衡量熱電偶質(zhì)量的指標(biāo)。

1 熱電偶不均勻性

（1）熱電偶不均勻性的表現(xiàn)

熱電偶不均勻性表現(xiàn)在熱電勢沿著熱電極絲長度分布的不均勻，它可以分為延伸不均勻性和局部不均勻性。延伸不均勻性是指熱電勢沿著絲材的長度方向逐漸變化，是絲材在制作過程中產(chǎn)生的或者在不均勻溫度場的長期作用下產(chǎn)生的。局部不均勻性是指熱電勢的分布局限在熱電極的某一段上，它會引起熱電性能的驟然變化，并且不具有規(guī)律性，可能是由于熱電極中摻有雜質(zhì)。在制造熱電偶時，用同一種生產(chǎn)爐生產(chǎn)出來的絲材所產(chǎn)生的不均勻性屬于延伸不均勻性，而局部不均勻性是針對一對熱電偶熱電性能的比較而言的。一般可以可以采用溫度梯度長度來區(qū)分這兩種不均勻性，當(dāng)熱電極的長度和溫度梯度長度相一致時，可判定該不均勻性為局部不均勻性。

（2）熱電偶不均勻性的影響因素[2]

影響熱電偶不均勻性的因素有很多，歸納起來，一般是由化學(xué)和物理因素引起的?；瘜W(xué)因素包括：①熱電極材料中含有很多雜質(zhì)，且雜質(zhì)成分偏析，分布不均勻②分布在熱電極表面上的金屬產(chǎn)生局部氧化和揮發(fā)，從而造成了熱電偶的不均勻；③熱電極中除了金屬之外，還有一些其他元素會進行選擇性的氧化，也帶來了不均勻性；④溫度很高時，工作端的熱擴散會改變周圍的化學(xué)成分；⑤自然環(huán)境與氣侯，以及保護管的材料、絕緣材料等會從局部上污染和腐蝕熱電極，造成不均勻。物理因素包括：①應(yīng)力的分布不均勻，使得電熱特性產(chǎn)生差異；②熱電極的組成材料中的晶粒的大小以及結(jié)構(gòu)不均勻，從而影響了熱電極的電熱特性。表1是熱電不均勻性的來源：

2 熱電偶不均勻性的實驗測試方法

（1）同名極法

該方法是把熱電偶的不均勻性假定在電偶絲的頭部和尾部，將配對熱電偶絲的的頭尾截去一米左右的長度，焊接成熱電偶。或者截去頭、中、尾各1.1m的長度，且在任意部位取5.5m長的一截，將其平分為5段，將這些焊接成熱電偶，或者將其與鉑絲焊接起來，利用規(guī)定的試驗溫度用同名極法對其熱電勢進行測量，進一步判斷頭尾熱電勢之間的差值是否符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求。這種方法不需要專用的設(shè)備來，且能和熱電偶的示值檢定同時間進行，但是由于它不能實現(xiàn)對電極絲的連續(xù)測量，因此對不均勻部位的判定也存在不準(zhǔn)確的情況。

（2）非接觸法[3]

點加熱法是將小型的單邊爐或者點溫爐作為加熱源，之所以稱為點加熱，是因為爐子的體型很小。進行熱電偶不均勻性測量的時候，由于為了保持爐溫的恒定，可以將爐沿著熱電極作軸向的運動，或者固定熱源，使熱電極移動。利用測量儀器，對熱電勢的變化進行測量，并記錄該部位的熱電勢變化值，該值即為不均勻電勢。

點加熱方法能實現(xiàn)對熱電偶絲不均勻性的連續(xù)測量，并確定其發(fā)生的部位，但是由于該方法需要專門的設(shè)備，且測量比較復(fù)雜，因此并沒有得到廣泛的應(yīng)用。對不均勻電勢進行測試一般是針對單根的熱電極的，當(dāng)熱電偶絲配對時，通常用單根電極的不均勻電勢的平方和開方得到的值來表示其最大不均勻性電勢。

（3）比較法

從所要檢測的熱電偶上截下一段絲材，與比較的電極焊接在一起，插入雙壁中空的容器或者爐子中，并記錄其熱電勢。比較電極通常要用均勻性很高的同類材料或者其他材料，這樣子所產(chǎn)生的熱電勢不均勻性代表大范圍內(nèi)的不均勻性。該方法具有操作簡單的優(yōu)點，它常被廣泛應(yīng)用于熱電極絲材的的質(zhì)量檢驗，但是測量效率較低，且不能實現(xiàn)對絲材性能的連續(xù)性研究。

（4）接觸法

接觸法是將被測量的熱電偶絲與與之接觸的參比熱電偶絲之間由于高溫所產(chǎn)生的熱電勢差值連續(xù)或者周期性記錄下來。該方法可以確定熱電偶絲的局部和延伸不均勻性，但是只能應(yīng)用于貴金屬的熱電極。因為廉價金屬熱電極的表面有一層絕緣的氧化層，使其不能與參比熱電偶充分接觸。

（5）兩介質(zhì)法

兩介質(zhì)法是將被檢測的熱電偶，在兩種介質(zhì)的分界面上以固定的速度通過，第一種介質(zhì)通常是室溫下的空氣，另一種是不具備導(dǎo)電能力的液體。由于液體導(dǎo)熱系數(shù)較大，當(dāng)其通過分界面時，熱電偶絲會被迅速加熱到液體的溫度，從而在介質(zhì)分界面形成了垂直溫度梯度，產(chǎn)生了不均勻的熱電勢，從而達到測量目的。

參考文獻

[1]蔡錫松.對熱電偶溫度計量誤差與修正方法的分析[J].工業(yè)技術(shù)，2011（17）.

[2]趙秀健.淺談熱電偶的均勻性[J].工業(yè)計量，2011（26）.

[3]楊振華.熱電偶不均勻性及實驗測試方法研究[D].天津：天津大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010（6）.