如何做好熱計量表溫度傳感器誤差的測量

許曉明　黃哲芳

摘 要：熱量表在我國是一種新的計量器具。作為貿(mào)易結(jié)算的熱量表，屬于強制檢定的計量器具，其準(zhǔn)確與否直接關(guān)系百姓的利益和節(jié)能減排的成效。熱電偶是一種最簡單、最普通的溫度傳感器。如果在使用中不注意，也會引起較大測量誤差。本文探討了如何做好熱計量表溫度傳感器誤差的測量。

關(guān)鍵詞：熱計量表；溫度傳感器；誤差；測量

熱量表在我國是一種新的計量器具。隨著城鎮(zhèn)供熱體制改革，熱量表生產(chǎn)企業(yè)迅速發(fā)展。作為貿(mào)易結(jié)算的熱量表，屬于強制檢定的計量器具，其準(zhǔn)確與否直接關(guān)系百姓的利益和節(jié)能減排的成效。熱量表計量原理熱量表是一種測量在熱交換環(huán)路中載熱液體所吸收或釋放熱能的計量器具，其測量對象限定為以水為載體的供熱或供冷系統(tǒng)。熱量表主要由流量傳感器、配對溫度傳感器和計算器三部分組成。熱電偶是一種最簡單、最普通的溫度傳感器。如果在使用中不注意，也會引起較大測量誤差。

1 熱計量表溫度傳感器測量誤差的影響因素

（1）安裝或使用不當(dāng)?shù)挠绊憽０惭b或使用方法不當(dāng)，將會引起較大的測量誤差，甚至檢定合格的熱電偶也會因操作不當(dāng)，在使用時不合格，在滲碳等還原性氣氛中，如果不注意，K型熱電偶也會因選擇性氧化而超差。

（2）測溫點的影響。熱電偶的安裝位置，即測溫點的選擇是最重要的。測溫點的位置，對于生產(chǎn)工藝過程而言，一定要具有典型性、代表性，否則將失去測量與控制的意義。

（3）熱輻射的影響。插入爐內(nèi)用于測溫的熱電偶，將被高溫物體發(fā)出的熱輻射加熱。假定爐內(nèi)氣體是透明的，而且，熱電偶與爐壁的溫差較大時，將因能量交換而產(chǎn)生測溫誤差。

（4）插入深度的影響。熱電偶插入被測場所時，沿著傳感器的長度方向?qū)a(chǎn)生熱流。當(dāng)環(huán)境溫度低時就會有熱損失。致使熱電偶與被測對象的溫度不一致而產(chǎn)生測溫誤差。由熱傳導(dǎo)而引起的誤差，與插入深度有關(guān)。而插入深度又與保護管材質(zhì)有關(guān)。金屬保護管因其導(dǎo)熱性能好，其插入深度應(yīng)該深一些，陶瓷材料絕熱性能好，可插入淺一些。對于工程測溫，其插入深度還與測量對象是靜止或流動等狀態(tài)有關(guān)，如流動的液體或高速氣流溫度的測量，將不受上述限制，插入深度可以淺一些，具體數(shù)值應(yīng)由實驗確定。

（5）熱阻抗增加的影響。在高溫下使用的熱電偶，如果被測介質(zhì)為氣態(tài)，那么保護管表面沉積的灰塵等將燒熔在表面上，使保護管的熱阻抗增大；如果被測介質(zhì)是熔體，在使用過程中將有爐渣沉積，不僅增加了熱電偶的響應(yīng)時間，而且還使指示溫度偏低。因此，除了定期檢定外，為了減少誤差，經(jīng)常抽檢也是必要的。

（6）響應(yīng)時間的影響。接觸法測溫的基本原理是測溫元件要與被測對象達到熱平衡。因此，在測溫時需要保持一定時間，才能使兩者達到熱平衡。而保持時間的長短，同測溫元件的熱響應(yīng)時間有關(guān)。而熱響應(yīng)時間主要取決于傳感器的結(jié)構(gòu)及測量條件，差別極大。對于氣體介質(zhì)，尤其是靜止氣體，至少應(yīng)保持30min以上才能達到平衡；對于液體而言，最快也要在5min以上。 對于溫度不斷變化的被測場所，尤其是瞬間變化過程，全過程僅1秒鐘，則要求傳感器的響應(yīng)時間在毫秒級。因此，普通的溫度傳感器不僅跟不上被測對象的溫度變化速度出現(xiàn)滯后，而且也會因達不到熱平衡而產(chǎn)生測量誤差。

2 如何做好熱計量表溫度傳感器誤差的測量

要進行可靠的溫度測量，首先需要選擇正確的溫度儀表，也就是溫度傳感器。其中熱電偶、熱敏電阻、鉑電阻（RTD）和溫度IC都是測試中最常用的溫度傳感器。例如：熱計量表分為整體式和組合式，對于整體式的儀表，要測量溫度傳感器的誤差，就要和積算器同時測量，把溫度傳感器的誤差和積算器的誤差相加才是需要的結(jié)果；而組合式的儀表，就可以對溫度傳感器單獨測量。

溫度傳感器單獨使用進行測量的方法是，把傳感器置于溫度恒定的環(huán)境中，測定溫度傳感器在不同的溫度值下顯示的溫度和準(zhǔn)確溫度之間的誤差。需要注意的是，除了要單獨測量溫度傳感器的誤差，還要檢測一下傳感器的配合部分的誤差，不同的環(huán)境，不同的焊接方法，不同的接線方式，都會導(dǎo)致有一定的誤差，這些其它誤差需要把它排除。就是把傳感器和積算器同時測量，這樣就需要根據(jù)不同的積算器的設(shè)計原理使用相應(yīng)的測量方法，兩種測量方法測得的誤差結(jié)合就可以得到溫度傳感器的正確誤差，公式需要根據(jù)不同的需求，得出最符合現(xiàn)況的測量誤差的方法。

在計算換熱器換熱量的熱計量儀中，一般采用一組（兩支）測溫傳感器測量流經(jīng)換熱器的流體在換熱器進、出口處的溫度值，用流量計測量流體流經(jīng)換熱器的流量，然后通過相應(yīng)的程序計算換熱器與周圍環(huán)境的換熱量。由于技術(shù)、價格等原因，國內(nèi)外幾乎所有生產(chǎn)熱計量儀表的廠家采用的流量計都是體積流量計。在流量傳感器設(shè)計時也都采用脈沖方式，即每單位體積流量發(fā)出一定數(shù)目的脈沖信號，由此來測量流經(jīng)換熱器流體的體積流量。

在測量高溫氣流的溫度時，由于沿?zé)犭娕奸L度存在溫度梯度，故測量端必然會沿?zé)犭姌O導(dǎo)熱，使得指示溫度偏離實際溫度。導(dǎo)熱量相差越多，相應(yīng)的誤差就越大，因此凡能加劇對流和削弱導(dǎo)熱的因素都可以用來減少導(dǎo)熱誤差。具體方法有：增加L/d；將熱電偶垂直安裝改成斜裝或彎頭處安裝，安裝時應(yīng)注意使熱電偶的端對著氣流方向，并處在流速最大的位置上；選用熱電偶和支桿導(dǎo)熱系數(shù)較小的材料。

熱輻射誤差產(chǎn)生的原因是熱電偶測量端與環(huán)境的輻射熱交換所引起的，這是熱電偶與氣流之間的對流換熱不能達到熱平衡的結(jié)果。減少輻射誤差的辦法，一是加劇對流換熱，二是削弱輻射換熱。具體方法有：盡量減少器壁與測量端的溫差，即在管壁鋪設(shè)絕熱層；在熱電偶工作端加屏蔽罩；增大流體放熱系數(shù)，即增加流速，加強擾動，減小偶絲直徑或使熱電極與氣流形成跨流等。另外，在安裝時還應(yīng)注意：熱電偶安裝位置，應(yīng)盡可能避開從固體發(fā)出的熱輻射，使其不能輻射到熱電偶表面；熱電偶最好帶有熱輻射遮蔽套。

絕緣不良是產(chǎn)生電流泄漏的主要原因，它對熱電偶的準(zhǔn)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，使得熱電流旁路。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。由于測量熱電勢的電位差計都是低電阻的，因此它對絕緣電阻的要求并不高，影響熱電勢測量的漏電主要是來處被測系統(tǒng)的高溫，因為熱電偶保護管和熱電極的絕緣材料的絕緣電阻將隨著溫度升高而下降，我們通常所說的鎧裝熱電偶的“分流誤差”就屬這類情況。一般是采用接地或其它屏蔽方法。對鎧裝熱電偶的分流誤差我們通常是以增大其直徑；增加絕緣層厚度；縮短加熱帶長度；降低熱電偶的電阻值等方法來降低誤差的。

總之，為了提高測量精度，減少測量誤差，延長熱電偶使用壽命，要求使用者不但要具備儀表方面的操作技能，而且還要具有物理、化學(xué)及材料等多方面知識，才能最大限度的降低熱計量表溫度傳感器的測量誤差。

參考文獻

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