探討熱電偶溫度計(jì)量準(zhǔn)確度的影響因素

武雪寶

【摘要】在溫度計(jì)量?jī)x表中，溫度傳感器是其核心的部分，有著十分繁多的品種。溫度的計(jì)量，不管采用任何一種計(jì)量?jī)x器，都需要滿足準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)和數(shù)值穩(wěn)定的要求，并且不能夠被外界諸多不利因素的影響。對(duì)于熱電偶溫度計(jì)，如何才能在使用中達(dá)到很高的精度，這是設(shè)計(jì)人員急切需要解決的問(wèn)題。在熱電偶溫度計(jì)的使用中，計(jì)量準(zhǔn)確度會(huì)受到諸多干擾因素的影響。文章主要對(duì)其計(jì)量準(zhǔn)確度的影響因素展開(kāi)分析。

【關(guān)鍵詞】熱電偶；計(jì)量；準(zhǔn)確度；影響因素

在眾多的計(jì)量參數(shù)中，很多參數(shù)是需要被準(zhǔn)確計(jì)量的，溫度就是其中之一。以計(jì)量方式來(lái)進(jìn)行劃分，一般可以分為兩類，接觸以及非接觸式；如果按照材料和特性來(lái)劃分，一般可以分為本文提到的熱電偶以及熱電阻這兩種。

在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，上述幾種溫度計(jì)量?jī)x表中，熱電偶的優(yōu)點(diǎn)較為突出，如制造簡(jiǎn)單，計(jì)量方便等，都為其在工業(yè)溫度計(jì)量中的廣泛應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。在作者多年實(shí)踐的基礎(chǔ)之上，通過(guò)大量閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)熱電偶計(jì)量誤差進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)。

1.熱電偶測(cè)溫基本原理

在熱電偶溫度計(jì)中，由感溫元件以及外部的保護(hù)裝置構(gòu)成，在感溫元件中，通過(guò)將不同材料的兩種導(dǎo)體或者是半導(dǎo)體A以及B焊接，連接成一個(gè)閉合回路。如果二者之間的執(zhí)著點(diǎn)之間出現(xiàn)了溫差，二者就會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)，在整個(gè)回路中就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)大小電流，這樣就被稱為熱電效應(yīng)。通過(guò)電氣儀表的作用之后，電流會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)介質(zhì)的溫度，熱電偶溫度計(jì)的主要工作原理就是這一效應(yīng)。

2.熱電偶溫度計(jì)量準(zhǔn)確度的主要影響因素

2.1 測(cè)溫點(diǎn)的選擇。對(duì)熱電偶進(jìn)行安裝，選擇測(cè)溫點(diǎn)是十分重要的。測(cè)溫點(diǎn)的位置選擇，對(duì)于整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程來(lái)說(shuō)，需要有特殊的意義，要有代表性，如果不能選擇這樣的位置，計(jì)量以及控制的意義將不復(fù)存在。

2.2 插入深度的影響。將熱電偶放入到被測(cè)場(chǎng)地，傳感器的長(zhǎng)度方向就會(huì)出現(xiàn)熱流。如果環(huán)境的溫度比較低，熱流會(huì)被損失。使得最終熱電偶表現(xiàn)出的溫度與被測(cè)對(duì)象的溫度不相同，從而導(dǎo)致測(cè)溫誤差。熱傳導(dǎo)帶來(lái)的誤差，和放入的深度相關(guān)。插入深度方面，又受到了保護(hù)管材質(zhì)的影響。金屬性能的導(dǎo)熱性能比較好，所以需要將其放入更深；而陶瓷性質(zhì)的材料有較好的絕熱性，需要將其插入較淺一些。工程測(cè)溫中的插入深度，除了上述一些影響因素在之后，還會(huì)受到計(jì)量對(duì)象的狀態(tài)等相關(guān)因素的影響。當(dāng)被測(cè)物體為流動(dòng)液體時(shí)，就不需要被上述的影響因素限制，可以講插入深度減少一些，在實(shí)驗(yàn)中將具體的數(shù)值進(jìn)行確定。

2.3 響應(yīng)時(shí)間的影響。當(dāng)測(cè)溫元件和被測(cè)對(duì)象之間達(dá)到熱平衡，就是接觸法測(cè)溫的基本原理。所以測(cè)溫時(shí)，需要有一定的事件才能夠讓二者之間實(shí)現(xiàn)熱平衡。保持時(shí)間市場(chǎng)還是短，主要由測(cè)溫元件的熱響應(yīng)時(shí)間決定。這一時(shí)間的取決條件為傳感器的結(jié)構(gòu)和計(jì)量條件，不同的條件導(dǎo)致了很大的差別。如果為氣體介質(zhì)，且為靜止，保持的時(shí)間要達(dá)到30分鐘才可以。而如果是液體的，只需要五分鐘以上就可以了。在被測(cè)場(chǎng)所中，溫度是不斷變化的，瞬間變化過(guò)程時(shí)間很短，僅僅為一秒，所以對(duì)于傳感器的要求需要達(dá)到ms級(jí)別。所以，如果溫度傳感器比較普通，那么被測(cè)對(duì)象的溫度變化速度將很難跟上，會(huì)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，另外熱平衡達(dá)不到之后也會(huì)帶來(lái)計(jì)量誤差。因此在對(duì)傳感器進(jìn)行選擇時(shí)，需要選擇相應(yīng)比較快的。對(duì)熱電偶的響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生影響的不僅僅是保護(hù)管，另外計(jì)量端直徑也是一個(gè)重要的影響因素。如果偶絲較細(xì)，那么這一數(shù)值將越小，響應(yīng)時(shí)間當(dāng)然比較短。被測(cè)對(duì)象的溫度，在溫度上升和下降方面以α（k/s或℃/s）速度進(jìn)行時(shí)，在一段時(shí)間之后，相應(yīng)誤差的計(jì)算公式為Δθ∞=-αT，Δθ∞：一段足夠的時(shí)間之后，測(cè)溫元件會(huì)出現(xiàn)誤差。從上述公式來(lái)看，時(shí)間常數(shù)（T）和相應(yīng)誤差之間成正比關(guān)系。

2.4 熱輻射的影響

在爐中進(jìn)行測(cè)溫工作的熱電偶，高溫物體會(huì)產(chǎn)生熱輻射，引起熱電偶加熱現(xiàn)象。如果爐內(nèi)的氣體假定為透明的，熱電偶和爐壁之間的溫差比較大時(shí)，那么能量交換之后也會(huì)帶來(lái)測(cè)溫方面的誤差。

所以想要減少這部分誤差，需要將熱傳導(dǎo)增加，讓爐壁的溫度和熱電偶溫度接近。此外，安裝過(guò)程中需要特別注意，熱電偶的具體安放位置需要與固體發(fā)出的熱輻射錯(cuò)開(kāi)，固體的熱輻射不能直達(dá)熱電偶的表面，需要時(shí)將熱電偶外部加入熱輻射遮蔽套。

2.5 熱阻抗增加的影響

熱電偶在高溫下工作，被測(cè)介質(zhì)如果是氣體，那么保護(hù)管表面的灰塵會(huì)在表面上被燒熔，保護(hù)管的熱阻抗將會(huì)增加。如果介質(zhì)是熔體，那么在操作中會(huì)出現(xiàn)爐渣的沉淀，使得熱電偶響應(yīng)時(shí)間被增加，指示溫度方面會(huì)變低。所以在定期的檢查之外，為了減少誤差，需要對(duì)其進(jìn)行不定時(shí)的抽檢。所以在生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)，連續(xù)測(cè)溫?zé)犭娕夹枰话惭b，還需要配備好消耗型熱電偶測(cè)溫裝備，以方便對(duì)前者進(jìn)行準(zhǔn)確度的校準(zhǔn)。

2.6 熱電偶絲不均質(zhì)引起誤差

熱電偶有著不均質(zhì)的材質(zhì)。廠家在進(jìn)行偶絲生產(chǎn)時(shí)，通常會(huì)因?yàn)闇囟鹊仍颍瑢?dǎo)致竹節(jié)狀出現(xiàn)，粗細(xì)并不均勻，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的打卷現(xiàn)象。另外在后期的加工中會(huì)出現(xiàn)其他問(wèn)題，對(duì)熱電偶進(jìn)行的反復(fù)加工，會(huì)讓熱電偶出現(xiàn)畸變，均質(zhì)性也會(huì)失去。在進(jìn)行測(cè)溫工作時(shí)，很多偶絲位于高溫區(qū)，若偶絲為均質(zhì)性，那么根據(jù)均質(zhì)回路定則，長(zhǎng)度和計(jì)量的結(jié)果沒(méi)有關(guān)聯(lián)。如果不是均值性，并且處于有溫度變化的場(chǎng)所，那么局部就會(huì)出現(xiàn)寄生熱電動(dòng)勢(shì)，最后導(dǎo)致的誤差就被認(rèn)為是不均質(zhì)誤差。

2.7 計(jì)量系統(tǒng)漏電影響

如果出現(xiàn)了電流泄露，主要是因?yàn)榻^緣不良。這對(duì)于熱電偶測(cè)溫是否準(zhǔn)確有著極大的影響，將熱電勢(shì)歪曲，儀表顯示方面則會(huì)失真，更為嚴(yán)重的是不能開(kāi)展正常工作。漏電帶來(lái)的誤差表現(xiàn)在多個(gè)方面，如熱電極絕緣瓷管沒(méi)有很好的絕緣電阻，熱電流會(huì)旁路，熱電偶端電壓下降，但是影響并不會(huì)太大。電測(cè)設(shè)備如果出現(xiàn)漏電，也會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象，最終出現(xiàn)誤差。

3.結(jié)論

從上述的不穩(wěn)定因素的論述來(lái)看，這些都是熱電偶計(jì)量溫度時(shí)，必須要認(rèn)識(shí)的。通過(guò)對(duì)熱電偶溫度計(jì)量準(zhǔn)確度的影響因素分析，總結(jié)出在熱電偶的制作和使用中，現(xiàn)場(chǎng)插入位置及深度、響應(yīng)時(shí)間、熱輻射、熱阻抗增加、熱電偶絲不均質(zhì)、計(jì)量系統(tǒng)漏電等都是影響最終溫度計(jì)量準(zhǔn)確度的因素，對(duì)于這些影響因素，在實(shí)際溫度計(jì)量中，我們只要仔細(xì)觀察，善于總結(jié)就能夠有效避免這些不必要的測(cè)量誤差，提升溫度計(jì)量的準(zhǔn)確度。

參考文獻(xiàn)：

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