T型熱電偶實(shí)驗(yàn)選取標(biāo)定與誤差分析研究

賀普春

陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司延安分公司

0 引言

熱電偶是目前市場(chǎng)上常用的一種測(cè)量溫度的工具，因其具有簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)、精度高、測(cè)量范圍廣、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中用于實(shí)時(shí)測(cè)溫等[1-2]。

T 型熱電偶具有精度高、性能穩(wěn)等特點(diǎn)[3]，廣泛應(yīng)用于中低溫范圍測(cè)溫中。但目前市場(chǎng)上對(duì)于室溫范圍內(nèi)的測(cè)量使用以及選型大多以K 型熱電偶為主[4-5]，對(duì)于測(cè)溫較好的中低溫的T 型熱電偶很少使用，且現(xiàn)有市場(chǎng)生廠廠家繁多，生產(chǎn)出來(lái)的材質(zhì)各不統(tǒng)一，難免會(huì)存在同型號(hào)熱電偶與熱電偶之間的差異。其次，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要注重于對(duì)熱電偶的選型和誤差分析[6-7]，適用場(chǎng)合[8]，以及應(yīng)用等研究[9-10]。雖已取得了一定的研究成果，但對(duì)其T 型熱電偶的校核標(biāo)定以及分析相對(duì)有限，對(duì)其具體應(yīng)用于室溫范圍內(nèi)的測(cè)試誤差研究更加略顯不足[11]。此外，由于安裝以及使用者自身等原因也會(huì)加大這一問(wèn)題的嚴(yán)重性，致使熱電偶存在很大的偏差，不能反映實(shí)際狀態(tài)下的工作溫度，很難滿足實(shí)驗(yàn)需求。因此，針對(duì)這一問(wèn)題，本文選取種T 型熱電偶為常溫測(cè)試的研究對(duì)象，根據(jù)使用條件進(jìn)行對(duì)比校核實(shí)驗(yàn)。

1 溫差電偶的測(cè)溫原理及使用方法

1.1 測(cè)溫原理

熱電偶又被叫做溫差電偶，是指由兩種不同的材料的導(dǎo)體彼此緊密接觸而組成的[3]。當(dāng)兩個(gè)接觸點(diǎn)存在一定的溫差時(shí)，在回路中就有電流產(chǎn)生，因此兩個(gè)接觸點(diǎn)存在電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)稱溫差電動(dòng)勢(shì)或熱電動(dòng)勢(shì)[1]，如圖1[12]所示。

圖1 熱電偶測(cè)溫原理示意圖

熱電偶一般是由兩種不同金屬材料的一段焊接而成，如圖1 所示，A、B 稱為熱電極，焊接的一段直接接觸被測(cè)熱場(chǎng)的T1端稱為測(cè)量端，沒有焊接的一段則連接測(cè)量設(shè)備，處于恒定溫度T2端稱為參考端[12]。T1、T2相差越大，輸出的電動(dòng)勢(shì)就越大，熱電偶可以通過(guò)熱電動(dòng)勢(shì)的大小間接得到溫度的大小。因此，溫差電偶的測(cè)溫范圍取決于制作溫差電偶的材料，常用的有：T分度熱電偶（中低溫區(qū)）、K 和N 分度熱電偶（中高溫區(qū)）、S 和R、B 分度熱電偶（高溫區(qū)）[4]。

1.2 熱電偶使用方法

如圖2[13]所示，在使用熱電偶的同時(shí)，需根據(jù)接線示意圖進(jìn)行正確地接線。在標(biāo)定前必須進(jìn)行外觀檢查、焊接點(diǎn)檢查是否光滑、牢固等可能出現(xiàn)的問(wèn)題，其次對(duì)正負(fù)極的接入要嚴(yán)格按照正反進(jìn)行連接，同時(shí)檢查電勢(shì)是否正常，檢查熱電極是否變脆，老化，變色以及腐蝕等問(wèn)題[13]。

圖2 熱電偶接線示意圖

本文采取固定溫度點(diǎn)法發(fā)進(jìn)行熱電偶標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，具體是指在所測(cè)溫度范圍內(nèi)，選取固定端參考溫度（0 ℃到60 ℃）正常范圍內(nèi)，盡可能多的在選取范圍內(nèi)選取篤定點(diǎn)就行校核。實(shí)驗(yàn)?zāi)┒说臏y(cè)量設(shè)備選取KEITHLEY2701。實(shí)驗(yàn)選取了市場(chǎng)上常用的3 家T 型熱電偶作為實(shí)驗(yàn)材料，每根長(zhǎng)度為3 m，分別編為1、2、3 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2 討論與分析

2.1 采用固定溫度點(diǎn)發(fā)進(jìn)行標(biāo)定

從圖3 中可以看出，3 種不同的編號(hào)的熱電偶均呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，且類似于較好的線性趨勢(shì)。1 號(hào)熱電偶與標(biāo)準(zhǔn)固定溫度點(diǎn)的數(shù)值相差不大?？梢钥闯觯瑹犭娕嫉臏y(cè)溫性能十分可靠。但在溫度相對(duì)較低時(shí)則呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì)，在0 ℃左右時(shí)，熱電偶呈現(xiàn)出左右波動(dòng)，其可能出現(xiàn)的原因是存在一個(gè)時(shí)間常數(shù)的影響[14]，造成熱電偶示數(shù)與固定點(diǎn)之間的差異。同樣，2號(hào)、3 號(hào)熱電偶均呈現(xiàn)出與1 號(hào)熱電偶相同的線性趨勢(shì)，且3 號(hào)熱電偶與標(biāo)準(zhǔn)固定溫度點(diǎn)的數(shù)值相差略大于1 號(hào)、2 號(hào)熱電偶所呈現(xiàn)出的趨勢(shì)?？赡艽嬖诘脑蚴情L(zhǎng)度以及接觸點(diǎn)的問(wèn)題導(dǎo)致不同熱電偶之間存在著一定的差異，但總體來(lái)說(shuō)，熱電偶在一定范圍內(nèi)具有很好的測(cè)溫效果。

圖3 不同編號(hào)熱電偶隨溫度變化

2.2 不同編號(hào)熱電偶之間的差異

從圖4 中可以看出，1、2、3 號(hào)熱電偶存在較大地差異，且3 號(hào)熱電偶的最高。在低溫時(shí)2 號(hào)熱電偶的最低，當(dāng)溫度升高時(shí)1 號(hào)熱電偶的最低。在相同范圍內(nèi)，3號(hào)熱電偶的度數(shù)更加接近于真實(shí)數(shù)值，更能反映實(shí)際情況。將3 條熱電偶進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到公式如表1所示。

圖4 不同編號(hào)熱電偶的差異

表1 不同編號(hào)熱電偶的擬合公式

從表1 中可以看出，熱電偶均呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，但熱電偶之間也存在著較大的差異，當(dāng)測(cè)試儀器讀數(shù)為0 時(shí)，此時(shí)呈現(xiàn)出，3 號(hào)熱電偶＞1 號(hào)熱電偶＞2 號(hào)熱電偶，1、2、3 號(hào)熱電偶對(duì)應(yīng)的實(shí)際值分別為8.863 ℃、6.291 ℃、6.392 ℃,1 號(hào)熱電偶對(duì)應(yīng)的實(shí)際值比2 號(hào)熱電偶對(duì)應(yīng)的實(shí)際值高出2.572 ℃，1 號(hào)熱電偶對(duì)應(yīng)的實(shí)際值比3 號(hào)熱電偶對(duì)應(yīng)的實(shí)際值高出2.471 ℃，3 號(hào)熱電偶對(duì)應(yīng)的實(shí)際值比2 號(hào)熱電偶對(duì)應(yīng)的實(shí)際值高出0.101 ℃。當(dāng)溫度升高時(shí)，1、2 號(hào)熱電偶呈現(xiàn)出相反趨勢(shì)，呈現(xiàn)出3 號(hào)熱電偶＞2 號(hào)熱電偶＞1號(hào)熱電偶。因此，3 種不同的熱電偶存在性能差異可能與熱電偶絲不均質(zhì)有關(guān)，文獻(xiàn)[6]給出這一結(jié)論，驗(yàn)證了本文的正確性。

3 誤差分析

3.1 熱電偶自身存在的因素

一般來(lái)說(shuō)熱電偶若是由均質(zhì)導(dǎo)體制成的，則其熱電勢(shì)只與兩端的溫度有關(guān)，若熱電極材料不是均勻的，且熱電極又處于溫度梯度場(chǎng)中，則熱電偶會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加熱電勢(shì)，即“不均勻電勢(shì)”[16]。其大小取決于熱電偶長(zhǎng)度的溫度梯度分布、材料的不均勻形式、不均勻程度，以及熱電極在溫度場(chǎng)所處的位置。

造成熱電偶不均勻性的主要原因有：如化學(xué)成分中雜質(zhì)分布不均勻，成分含量的偏差，以及熱電偶表面局部的氧化問(wèn)題，熱電偶在有些物質(zhì)或者氣體中受到腐蝕和干擾等會(huì)造成偏差。而對(duì)于新制的熱電偶，還存在加工問(wèn)題，彎曲以及焊點(diǎn)存在氣密性有氣泡等都會(huì)致使熱電偶在生產(chǎn)加工中存在畸變，會(huì)對(duì)測(cè)試造成誤差[6]。

其次，熱電偶同時(shí)也存在著不穩(wěn)定性：不穩(wěn)定性具體是指熱電偶的分度值隨使用時(shí)間和使用條件的不同而起的變化。在大多數(shù)情況下影響不穩(wěn)定性的因素有：污染覆蓋，熱電極在高溫下易揮發(fā)，氧化和還原，甚至存在老化、脆化以及焊點(diǎn)開焊等現(xiàn)象。需進(jìn)行定期維修除去表面污物，改善其熱電偶特性，延長(zhǎng)熱電偶?jí)勖?，尤其在測(cè)試前期需對(duì)熱電偶進(jìn)行嚴(yán)格篩選和檢查。

3.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

熱電偶安裝影響：熱電偶應(yīng)按照使用要求進(jìn)行布點(diǎn)，應(yīng)安裝在能代表被測(cè)介質(zhì)溫度處，避免裝在閥門處、彎頭拐角處及管道、設(shè)備的死角不好操作的附近。當(dāng)熱電偶插入深度超過(guò)1 m 時(shí)，應(yīng)盡可能的垂直安裝，或加以支撐保護(hù)[15]。若熱電偶較長(zhǎng)，則長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)則會(huì)存在溫度梯度，因此測(cè)量端必然會(huì)沿?zé)犭姌O導(dǎo)熱，一部分熱量會(huì)從溫度較高的熱端經(jīng)過(guò)保護(hù)套管、熱電極等傳到溫度較低的冷端。這樣熱電偶測(cè)得的溫度較之實(shí)際溫度會(huì)偏低，因此為了減少誤差，可采取如下措施：增加熱電偶的插入深度或者盡可能采用熱傳導(dǎo)系數(shù)小的材料作保護(hù)套管。

測(cè)量系統(tǒng)漏電分流影響[17]：熱電偶在結(jié)構(gòu)上存在缺陷等會(huì)使絕緣層出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，對(duì)熱電偶溫差電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量有很大影響，使測(cè)量結(jié)果整體變小，甚至出現(xiàn)測(cè)量值無(wú)法顯示的故障。而出現(xiàn)漏電引起誤差是多方面的，一般可能是智能控溫實(shí)驗(yàn)儀漏電、電位差計(jì)漏電、絕緣層老化漏電，都可能使工作電流出現(xiàn)損失，使測(cè)量產(chǎn)生誤差。

3.3 電動(dòng)勢(shì)測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的誤差

冷端補(bǔ)償?shù)倪x擇[3]：根據(jù)熱電偶測(cè)溫原理，熱電偶的溫差電勢(shì)只反映出來(lái)的是相對(duì)溫度，而熱電偶在回路中的熱電動(dòng)勢(shì)的大小不僅與測(cè)量端的溫度密切相關(guān)，而且與參考端的溫度也有關(guān)系，它是由兩者的溫度的差值共同決定的，因此參考溫度的選擇對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的精確影響很大?，F(xiàn)有情況下選擇的參考端溫度等于0 ℃，然而在實(shí)際使用熱電偶測(cè)溫過(guò)程中，冷端溫度很難維持，甚至不為0 ℃，而且往往是變化的。文獻(xiàn)[3]利用軟件實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償，提高測(cè)試精度，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)方案可行性研究。其次室溫存在很大的波動(dòng)性，不宜作為溫度定標(biāo)實(shí)驗(yàn)的參考溫度，而且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)人為誤差因素的影響、測(cè)量?jī)x器精度等問(wèn)題。其中測(cè)量?jī)x器的精度等級(jí)的選擇要考慮測(cè)溫點(diǎn)要求的準(zhǔn)確性是否匹配等都需要考慮[4]，而不是盲目的直接拿過(guò)來(lái)測(cè)試。

時(shí)間常數(shù)：一般在溫度穩(wěn)定或變化很慢的對(duì)象上測(cè)量溫度時(shí)，動(dòng)態(tài)誤差很小，但對(duì)溫度變化很快的對(duì)象，動(dòng)態(tài)誤差就會(huì)增大，通常用時(shí)間常數(shù)[12]來(lái)表征熱電偶響應(yīng)速度的快慢，時(shí)間常數(shù)越小，響應(yīng)越快，動(dòng)態(tài)誤差就越小。因此，時(shí)間常數(shù)的大小是決定動(dòng)態(tài)誤差的主要因素。

3.4 熱電偶實(shí)際應(yīng)用中減小實(shí)驗(yàn)誤差方法

1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境所需匹配適合量程下的熱電偶型號(hào)。

2）根據(jù)實(shí)際環(huán)境選擇合適的冷端補(bǔ)償器。

3）熱電偶的安裝深度應(yīng)放在中間位置，且不要隨意更改變動(dòng)。

4）熱量沿?zé)犭姌O傳導(dǎo)，熱端與周壁的熱交換等熱損失，會(huì)產(chǎn)生溫度測(cè)量誤差，盡量縮小熱電偶測(cè)量端的尺寸，并使體積與面積之比盡可能小，以減小測(cè)量端的熱容量，提高響應(yīng)速度。

5）采用導(dǎo)熱性能好的材料做保護(hù)管，管壁要薄，內(nèi)徑要小，減小保護(hù)管與熱電偶測(cè)量端之間的空氣間隙或填充傳熱性能好的其它材料。

6）測(cè)量時(shí)要在智能恒溫控制儀的溫度穩(wěn)定時(shí)方可讀數(shù)。

7）在熱電偶接線時(shí)嚴(yán)格按照?qǐng)D紙進(jìn)行，正負(fù)極的接法以及檢測(cè)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)T 型熱電偶實(shí)驗(yàn)原理、標(biāo)定過(guò)程以及誤差等幾方面進(jìn)行綜合分析，初步得到以下結(jié)論：

1）熱電偶隨著固定點(diǎn)溫度變化均呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，且同型號(hào)的熱點(diǎn)偶仍存在較大地差異，應(yīng)在使用前進(jìn)行校核實(shí)驗(yàn)。

2）同型號(hào)的熱電偶進(jìn)行標(biāo)定比較發(fā)現(xiàn)，3 號(hào)熱電偶效果更好，更能符合實(shí)際溫度的需求，但仍然存在差異。

3）通過(guò)對(duì)熱電偶的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)以及誤差進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電偶需綜合考慮自身以及外界的因素共同影響。為今后實(shí)驗(yàn)材料的選取以及儀器維護(hù)、校核、維護(hù)提供了經(jīng)驗(yàn)參考，有助于實(shí)驗(yàn)正常有序的進(jìn)行。