淺析影響熱電偶測(cè)溫儀表準(zhǔn)確性的因素

張瀚予

摘要：熱電偶的品種很多，各種分類方法也不盡相同，按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的要求可以分為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶兩種。熱電偶是熱電效應(yīng)理論的具體應(yīng)用之一，在溫度測(cè)量中有廣泛的應(yīng)用，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、容易構(gòu)造等優(yōu)點(diǎn)。熱電偶通過(guò)與顯示儀表配合使用，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量、自動(dòng)記錄、溫度自動(dòng)控制等。

關(guān)鍵詞：熱電偶；溫差；誤差及處理措施

引言

紅沿河核電站項(xiàng)目位于遼寧省大連市瓦房店市紅沿河鎮(zhèn)，核電站一期工程采用CPR1000壓水堆核電技術(shù)，是國(guó)家“十一五”期間首個(gè)批準(zhǔn)建設(shè)的核電項(xiàng)目，是東北地區(qū)第一個(gè)核電站。遼寧紅沿河核電二期工程采用ACPR1000核電技術(shù)，2018年11月6號(hào)機(jī)組首套蒸汽發(fā)生器安裝就位，整體工程建設(shè)迎來(lái)高峰期。遼寧紅沿河核電站自開(kāi)工建設(shè)以來(lái)，一直堅(jiān)持“安全第一、質(zhì)量第一”的方針，嚴(yán)格按照國(guó)家有關(guān)法規(guī)組織工程建設(shè)。核電站對(duì)元件要求較高，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度是需要測(cè)量和控制的重要參數(shù)之一，熱電偶是溫度測(cè)量?jī)x表中常見(jiàn)的測(cè)溫元件，在這里對(duì)影響熱電偶測(cè)溫儀表準(zhǔn)確性的因素進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

1.熱電偶測(cè)溫基本原理

將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，就構(gòu)成熱電偶。溫度T端為感溫端稱為測(cè)量端，溫度T0端為連接儀表端稱為參比端或冷端，當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)T和T0之間存在溫差時(shí)，就在回路中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)EAB（T，T0），因而在回路中形成電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。這個(gè)電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)，熱電偶就是利用這一效應(yīng)來(lái)工作的。熱電勢(shì)的大小與T和T0之差的大小有關(guān)，當(dāng)熱電偶的兩個(gè)熱電極材料已知時(shí)，由熱電偶回路熱電勢(shì)的分布理論知熱電偶兩端的熱電勢(shì)差可以用下式表示：

EAB（T，T0）=EAB（T）-EAB（T0）

式中EAB（T，T0）-熱電偶的熱電勢(shì)；

EAB（T）-溫度為T(mén)時(shí)工作端的熱電勢(shì)；

EAB（T0）-溫度為T(mén)0時(shí)冷端的熱電勢(shì)。

從上式可看出當(dāng)工作端的被測(cè)介質(zhì)溫度發(fā)生變化時(shí)，熱電勢(shì)隨之發(fā)生變化，因此，只要測(cè)出EAB（T，T0）和知道EAB（T0）就可得到EAB（T），將熱電勢(shì)送入顯示儀表進(jìn)行指示或記錄，或送入微機(jī)進(jìn)行處理，即可獲得測(cè)量端溫度T值。

需要特別強(qiáng)調(diào)的是，熱電偶之所以能測(cè)出溫度，歸根結(jié)底是測(cè)量熱電偶兩端的熱電動(dòng)勢(shì)，測(cè)量?jī)x表能夠讓我們看到溫度數(shù)值，是因?yàn)樗呀?jīng)將熱電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換成了溫度。

2.熱電偶測(cè)溫誤差及原因分析

2.1 熱電偶安裝因素造成的誤差

熱電偶在安裝過(guò)程中位置的選擇不合理，以及實(shí)際測(cè)溫時(shí)插入被測(cè)環(huán)境的深度不當(dāng)，都會(huì)導(dǎo)致熱電偶測(cè)溫誤差的產(chǎn)生。同時(shí)針對(duì)不同測(cè)溫對(duì)象，熱電偶插入的深度也要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，要根據(jù)實(shí)際測(cè)溫工作的需要，結(jié)合科學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)不同對(duì)象測(cè)溫時(shí)插入的深度進(jìn)行準(zhǔn)確的確定。

2.2 參考端溫度的影響

熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)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(diǎn)偶參考端溫度等于0℃為條件的。所以在使用時(shí)必須遵循這一條件。如果參考端溫度Tn不等于0℃，盡管被測(cè)溫度T恒定不變，熱電勢(shì)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(dāng)To>0℃時(shí)，此時(shí)熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)減少了EAB（Tn，To），因而將使測(cè)量?jī)x表的示值下降。因此，當(dāng)參考端溫度不等于0℃時(shí)，對(duì)被測(cè)溫度的準(zhǔn)確性有著十分重要的影響。

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

2.3 熱輻射以及導(dǎo)熱誤差

熱輻射誤差主要是由熱電偶測(cè)量端與環(huán)境的輻射熱交換所引起的，而導(dǎo)熱誤差則是由于沿?zé)犭娕奸L(zhǎng)度存在溫度梯度，而測(cè)量端必然會(huì)沿?zé)犭姌O導(dǎo)熱，使得指示溫度偏離實(shí)際溫度。

2.4 動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差

由于熱電偶的測(cè)量方式屬于接觸式，當(dāng)熱電偶插入被測(cè)介質(zhì)后，由于本身具有熱惰性，因此不能立即指示出被測(cè)氣流的溫度，其示值Ta將逐漸上升，一直到測(cè)量端吸熱，放熱達(dá)到動(dòng)平衡后才達(dá)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(gè)不穩(wěn)定過(guò)程中，熱電偶的瞬時(shí)示值T測(cè)與穩(wěn)定后的示值T∞存在著偏差，這時(shí)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(cè)-T∞），這一偏差稱為動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差，用△T動(dòng)表示。

△T動(dòng)=T測(cè)-Ta∞=τdT測(cè)/dT

式中：τ――熱電偶的時(shí)間常數(shù)

為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，以下討論時(shí)均假設(shè)沒(méi)有其它誤差因素的影響，即T∞= T氣，于是τdT測(cè)/dT +T測(cè)= T氣

如果被測(cè)溫度是不隨時(shí)間變化的穩(wěn)態(tài)測(cè)量，只要熱電偶插入后經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，待其示值穩(wěn)定后再進(jìn)行讀數(shù)，便可避免動(dòng)態(tài)誤差的影響。

2.5 測(cè)量系統(tǒng)漏電引起的熱電偶測(cè)溫誤差

熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)在使用過(guò)程中，會(huì)因?yàn)榻^緣層損壞等原因造成系統(tǒng)漏電，導(dǎo)致熱電勢(shì)受到影響，使儀表的指示溫度與實(shí)際的溫度之間出現(xiàn)誤差，較嚴(yán)重的將導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)的失靈。

2.6 劣化誤差

所謂熱電偶的劣化，即熱電偶經(jīng)使用后，出現(xiàn)老化變質(zhì)的現(xiàn)象。由金屬或合金構(gòu)成的熱電偶，在高溫下其內(nèi)部晶粒要逐漸長(zhǎng)大。同時(shí)合金中含有少量雜質(zhì)，其位置或形狀也將發(fā)生變化，而且，對(duì)周?chē)h(huán)境中的還原或氧化性氣體也要發(fā)生反應(yīng)。伴隨上述變化，熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)也將極其敏感地發(fā)生變化。因此熱電偶的劣化現(xiàn)象是不可避免的。

3.熱電阻溫度測(cè)量故障檢查處理思路

本著中間導(dǎo)體定律的原則，解決辦法之一就是把進(jìn)入端子柜的補(bǔ)償導(dǎo)線直接接入DCS機(jī)柜，甩掉銅導(dǎo)線，取消第三種導(dǎo)體，這樣就解決了溫度不同的麻煩。但實(shí)際條件不能滿足這樣的改動(dòng)，補(bǔ)償導(dǎo)線在施工時(shí)已經(jīng)敷設(shè)完畢，導(dǎo)線長(zhǎng)度已不能延長(zhǎng)，且三個(gè)反應(yīng)器共12點(diǎn)溫度，改動(dòng)施工費(fèi)用較高，種種原因都限制解決方案。通過(guò)分析，我們采用了最簡(jiǎn)捷的解決方案，就是想辦法使兩個(gè)房間的溫度達(dá)到一致，就基本解決了因溫度不同而產(chǎn)生的誤差，辦法就是在房間1安裝一臺(tái)空調(diào)，調(diào)節(jié)空調(diào)溫度，使兩個(gè)房間機(jī)柜內(nèi)的溫度保持一致，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，把溫度差控制在0.5℃之內(nèi)是很容易辦到的。經(jīng)過(guò)此方案的實(shí)施后，反應(yīng)器的溫度已經(jīng)正常，得到工藝技術(shù)人員的認(rèn)可。

4.熱電偶實(shí)際應(yīng)用時(shí)需注意的問(wèn)題

4.1 安裝位置

熱電偶的安裝應(yīng)盡可能靠近欲測(cè)的溫度控制點(diǎn)，使其測(cè)量端與被測(cè)介質(zhì)充分接觸，遠(yuǎn)離強(qiáng)磁場(chǎng)和強(qiáng)電場(chǎng)。

4.2 插入的深度

一般情況下，當(dāng)采用金屬保護(hù)管時(shí)，插入深度應(yīng)為其直徑的15～20倍；當(dāng)采用非金屬保護(hù)管時(shí)，插入深度應(yīng)為其直徑的10～15倍。

4.3 熱輻射作用

在熱電偶附近如果存在與其具有一定溫差的很大物體時(shí)，熱電偶將接受輻射能。

4.4 熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線

補(bǔ)償導(dǎo)線分為補(bǔ)償型和延伸型兩種，延伸型的導(dǎo)線也并不是用和熱電偶相同材質(zhì)的金屬，一般采用和熱電偶具有相同電子密度的導(dǎo)線代替。

4.5 熱電偶冷端溫度補(bǔ)償方法

冷端溫度修正法、冷端0℃恒溫法、冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法（補(bǔ)償電橋法）。

5 結(jié)語(yǔ)

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中重要的工藝參數(shù)，人們常常把溫度測(cè)量比喻成工業(yè)生產(chǎn)的脈搏，是因?yàn)樗粌H關(guān)系到產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)效益，還關(guān)系到生產(chǎn)的安全。所以全面了解和掌握影響熱電偶測(cè)溫儀表準(zhǔn)確性的各種因素是非常重要的。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)東北電力第一工程有限公司）