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熱電偶測量誤差及其注意事項(xiàng)
日期：2024-12-28 09:46
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摘要：
熱電偶測量誤差及其注意事項(xiàng)
熱電偶是一種*簡單﹑*普通的溫度傳感器?？墒侨绻谑褂弥胁蛔⒁?，也會(huì)引起較大測量誤差。針對當(dāng)前存在的問題，詳細(xì)探討影響測量誤差的主要因素：熱電偶插入深度﹑響應(yīng)時(shí)間﹑熱輻射及熱阻抗等，指出熱電偶絲不均質(zhì)﹑鎧裝熱電偶分流誤差﹑K型熱電偶的選擇性氧化﹑K狀態(tài)﹑使用氣氛﹑絕緣電阻及熱電偶劣化等在使用中應(yīng)注意事項(xiàng)。對提高測量精度，延長熱電偶壽命，有一定幫助。
1. 前言
在現(xiàn)有的測溫系統(tǒng)中，*常用的溫度傳感器—熱電偶，因其結(jié)構(gòu)簡單，往往被誤認(rèn)為“熱電偶兩根線，接上就完事”，其實(shí)并非如此。熱電偶的結(jié)構(gòu)雖然簡單，但在使用中仍然會(huì)出現(xiàn)各種問題。例如：安裝或使用方法不當(dāng)，將會(huì)引起較大的測量誤差，甚至檢定合格的熱電偶也會(huì)因操作不當(dāng)，在使用時(shí)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(huì)因選擇性氧化而超差。
為了提高測量精度，減少測量誤差，延長熱電偶使用壽命，要求使用者不僅應(yīng)具備儀表方面的操作技能，而且還應(yīng)具有物理、化學(xué)及材料等多方面知識。作者根據(jù)多年實(shí)踐，并參閱有關(guān)資料較詳細(xì)地介紹熱電偶的測量誤差及其注意事項(xiàng)。
3．1 熱電偶絲不均質(zhì)影響
（1）熱電偶材質(zhì)本身不均質(zhì)
熱電偶在計(jì)量室檢定時(shí)，按規(guī)程要求，插入檢定爐內(nèi)的深度只有300mm。因此每支熱電偶的檢定結(jié)果，確切的說只能體現(xiàn)或主要體現(xiàn)出從測量端開始300mm長偶絲的熱電行為，然而，當(dāng)熱電偶的長度較長時(shí)，則大部分偶絲處于高溫區(qū)，如果熱電偶絲是均質(zhì)的，那么依據(jù)均質(zhì)回路定則，測量結(jié)果與長度無關(guān)。然而，熱電偶絲并非均質(zhì)，尤其是廉金屬熱電偶絲其均質(zhì)性較差，又處于具有溫度梯度的場合，那么其局部將產(chǎn)生熱電動(dòng)勢，該電動(dòng)勢稱為寄生電勢。由寄生電勢引起的誤差稱為不均質(zhì)誤差。
在現(xiàn)有的貴金屬、廉金屬熱電偶檢定規(guī)程中，對熱電偶的不均質(zhì)尚未作出規(guī)定，只有在熱電偶絲材標(biāo)準(zhǔn)中，對熱電偶絲的不均勻性有一定要求。對廉金屬熱電偶采用首尾檢定法求出不均勻熱電動(dòng)勢。正規(guī)熱電偶絲材生產(chǎn)廠，均按國家標(biāo)準(zhǔn)要求，生產(chǎn)出不均勻熱電動(dòng)勢符合要求的產(chǎn)品。
（2）熱電偶絲經(jīng)使用后產(chǎn)生的不均質(zhì)
對于新制的熱電偶，即使是不均勻熱電動(dòng)勢能滿足要求，但是，反復(fù)加工、彎曲致使熱電偶產(chǎn)生加工畸變，也將失去均質(zhì)性，而且使用中熱電偶長期處于高溫下也會(huì)因偶絲的劣化而引起熱電動(dòng)勢變化，例如：插入工業(yè)爐中的熱電偶，將沿偶絲長度方向發(fā)生劣化，并隨溫度增高，劣化增強(qiáng)，當(dāng)劣化的部分處于具有溫度梯度的場所，也將產(chǎn)生寄生電動(dòng)勢疊加在總熱電動(dòng)勢中而出現(xiàn)測量誤差。
作者在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)有的熱電偶經(jīng)計(jì)量部門檢定合格的產(chǎn)品（多為廉金屬熱電偶）到現(xiàn)場使用時(shí)卻不合格。再返回到計(jì)量部門檢定仍然合格，其中主要原因就是偶絲不均質(zhì)引起的。生產(chǎn)熱電偶的技術(shù)人員都切身體會(huì)到，熱電偶的不合格率也隨其長度的增加而增加。皆是受熱電偶絲材不均質(zhì)的影響。總之，由不均質(zhì)即寄生電動(dòng)勢引起的誤差，取決于熱電偶絲自身的不均質(zhì)程度及溫度梯度的大小，對其定量極其困難。
3.2 鎧裝熱電偶的分流誤差
（1）分流誤差
瓦軸集團(tuán)滲碳爐用鎧裝熱電偶，僅使用一周就不準(zhǔn)了。為探討原因，作者曾到現(xiàn)場考察，但未發(fā)現(xiàn)異常，只好從爐子上取下來經(jīng)計(jì)量室檢定結(jié)果合格。那么問題何在呢？*后，根據(jù)該支熱電偶的現(xiàn)場安裝特點(diǎn)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，上述問題是鎧裝熱電偶的分流誤差造成的。
所謂分流誤差即用鎧裝熱電偶測量爐溫時(shí)，當(dāng)熱電偶中間部位有超過800°C的溫度分布存在時(shí),因其絕緣電阻下降，熱電偶示值出現(xiàn)異常的現(xiàn)象，稱為分流誤差。依據(jù)均質(zhì)回路定則，用熱電偶測溫只與測量端與參考端兩端溫度有關(guān)，與中間溫度分布無關(guān)。可是由于鎧裝熱電偶的絕緣物是粉末狀MgO，溫度每升高100°C，其絕緣電阻下降一個(gè)數(shù)量級，當(dāng)中間部位溫度較高時(shí)，必定有漏電流產(chǎn)生，致使在熱電偶輸出電勢中有分流誤差出現(xiàn)。
（2）分流誤差產(chǎn)生的條件
將鎧裝熱電偶水平插入爐內(nèi)，其規(guī)格及實(shí)驗(yàn)條件為：直徑ф4.8mm,長度為25m,中間部位加熱帶的長度為20m，溫度為1000℃。本次實(shí)驗(yàn)中，熱電偶的測量端與中間部位的溫差為200℃。如果測量端溫度高于中間部位，則產(chǎn)生負(fù)誤差；相反，則產(chǎn)生正誤差。如果兩者的溫差為200℃，那么，分流誤差約為100℃。這是**不能忽視的，分流誤差的產(chǎn)生條件與鎧裝熱電偶種類和直徑等因素有關(guān)[2]，見表1。
3.3分流誤差的影響因素及對策
高溫下鎧裝熱電偶產(chǎn)生分流誤差的現(xiàn)象，正在引起人們的重視，因此有必要了解分流誤差的影響因素，并采取適當(dāng)對策以減少或消除分流誤差的影響。
（1）鎧裝熱電偶直徑
對于長度為9米的K型鎧裝熱電偶（MgO絕緣），只將熱電偶中間部位加熱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：分流誤差的大小與其直徑的平方根成反比（直徑過細(xì)，不遵守此規(guī)律），即直徑越細(xì)，分流誤差越大。
當(dāng)中間部位溫度高于800℃時(shí)，對于ф3.2mm鎧裝熱電偶將產(chǎn)生分流誤差。但對于ф6.4mm及ф8mm鎧裝熱電偶，當(dāng)中間部位的溫度為900℃時(shí)，仍未發(fā)現(xiàn)分流誤差。對于ф6.4mm(熱電極絲直徑為ф1.4mm)與ф8mm（熱電極絲直徑為ф2.0mm）的鎧裝熱電偶，當(dāng)中間部位溫度為1100℃時(shí)，直徑為ф8mm的鎧裝熱電偶產(chǎn)生的分流誤差僅為ф6.4mm的一半。此數(shù)值（50%）近視于兩種鎧裝熱電偶電極絲直徑的平方比（1.42/2.02） ,而電極絲直徑平方比,即為電極絲的電阻比。因此，為了減少分流誤差，應(yīng)盡可能選用粗直徑的鎧裝熱電偶。
（2）中間部位的溫度
如果中間部位的溫度超過800℃，有可能產(chǎn)生分流誤差，其大小將隨溫度的升高，呈指數(shù)關(guān)系增大。因此，除測量端外，其它部位應(yīng)盡可能避免超過800℃。
1）中間部位加熱帶長度及位置
當(dāng)中間部位加熱帶溫度高于800℃時(shí)，其加熱帶的長度越長，距離測量端越遠(yuǎn)，分流誤差越大。因此，應(yīng)盡可能縮短加熱帶長度，并且，不要在遠(yuǎn)離測量端處加熱，以減少分流誤差。
（3）熱電偶絲的電阻
當(dāng)鎧裝熱電偶的直徑相同時(shí)，分流誤差將隨熱電偶絲的電阻增大而增加。因此，采用電阻小的熱電偶絲更好。例如：直徑相同的S型鎧裝熱電偶同K型熱電偶相比，其分流誤差減少40%。因此，可采用S型熱電偶測量爐內(nèi)溫場分布，費(fèi)用雖高，但較準(zhǔn)確。
（4） 絕緣電阻
高溫下氧化物的電阻率將隨溫度的升高呈指數(shù)降低,分流誤差的大小主要取決于高溫部分的絕緣性能,絕緣電阻越低,越容易產(chǎn)生分流誤差。當(dāng)絕緣電阻增加10倍或減少至1/10時(shí)，其分流誤差也隨之減少至1/10或增大10倍。為了減少分流誤差，應(yīng)盡可能采用直徑粗的鎧裝熱電偶，增加絕緣層厚度。如果上述措施無效時(shí)，只好采用裝配式熱電偶。
3.4 短程有序結(jié)構(gòu)變化（K狀態(tài)）的影響
K型熱電偶在250℃—600℃溫度范圍內(nèi)使用時(shí)，由于其顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成短程有序結(jié)構(gòu)，因此將影響熱電勢值而產(chǎn)生誤差，這就是所謂的K狀態(tài)[3]。它是Ni—Cr合金特有的晶格變化，當(dāng)Cr含量在5—30%范圍內(nèi)存在著原子晶格的有序無序轉(zhuǎn)變。由此而引起的誤差，因Cr含量及溫度的不同而變化。將K型熱電偶從300℃加熱至800℃，每50℃取一點(diǎn)，測量該點(diǎn)電勢。在450℃時(shí)偏差*大可達(dá)4℃，在350—600℃范圍內(nèi)，均為正偏差。由于K狀態(tài)的存在，使K型熱電偶在升溫或降溫檢定結(jié)果不一致，故在廉金屬熱電偶檢定規(guī)程中明文規(guī)定檢定順序：由低溫向高溫逐點(diǎn)升溫檢定。而且在400℃檢定點(diǎn)，不僅傳熱效果不佳，難以達(dá)到熱平衡，而且，又恰好處于K狀態(tài)誤差*大范圍。因此，對該點(diǎn)判定合格與否時(shí)應(yīng)很慎重。
Ni—Cr合金短程有序結(jié)構(gòu)變化的現(xiàn)象，不僅存在于K型，而且，在E型熱電偶正極中也有此現(xiàn)象。但是，作為變化量E型熱電偶僅為K型的2/3?？傊?，K狀態(tài)與溫度、時(shí)間有關(guān)，當(dāng)溫度分布或熱電偶位置變化時(shí)，其偏差也會(huì)發(fā)生很大變化。故難以對偏差大小作出準(zhǔn)確評價(jià)。
熱電偶是一種*簡單﹑*普通的溫度傳感器?？墒侨绻谑褂弥胁蛔⒁?，也會(huì)引起較大測量誤差。針對當(dāng)前存在的問題，詳細(xì)探討影響測量誤差的主要因素：熱電偶插入深度﹑響應(yīng)時(shí)間﹑熱輻射及熱阻抗等，指出熱電偶絲不均質(zhì)﹑鎧裝熱電偶分流誤差﹑K型熱電偶的選擇性氧化﹑K狀態(tài)﹑使用氣氛﹑絕緣電阻及熱電偶劣化等在使用中應(yīng)注意事項(xiàng)。對提高測量精度，延長熱電偶壽命，有一定幫助。
1. 前言
在現(xiàn)有的測溫系統(tǒng)中，*常用的溫度傳感器—熱電偶，因其結(jié)構(gòu)簡單，往往被誤認(rèn)為“熱電偶兩根線，接上就完事”，其實(shí)并非如此。熱電偶的結(jié)構(gòu)雖然簡單，但在使用中仍然會(huì)出現(xiàn)各種問題。例如：安裝或使用方法不當(dāng)，將會(huì)引起較大的測量誤差，甚至檢定合格的熱電偶也會(huì)因操作不當(dāng)，在使用時(shí)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(huì)因選擇性氧化而超差。
為了提高測量精度，減少測量誤差，延長熱電偶使用壽命，要求使用者不僅應(yīng)具備儀表方面的操作技能，而且還應(yīng)具有物理、化學(xué)及材料等多方面知識。作者根據(jù)多年實(shí)踐，并參閱有關(guān)資料較詳細(xì)地介紹熱電偶的測量誤差及其注意事項(xiàng)。
3．1 熱電偶絲不均質(zhì)影響
（1）熱電偶材質(zhì)本身不均質(zhì)
熱電偶在計(jì)量室檢定時(shí)，按規(guī)程要求，插入檢定爐內(nèi)的深度只有300mm。因此每支熱電偶的檢定結(jié)果，確切的說只能體現(xiàn)或主要體現(xiàn)出從測量端開始300mm長偶絲的熱電行為，然而，當(dāng)熱電偶的長度較長時(shí)，則大部分偶絲處于高溫區(qū)，如果熱電偶絲是均質(zhì)的，那么依據(jù)均質(zhì)回路定則，測量結(jié)果與長度無關(guān)。然而，熱電偶絲并非均質(zhì)，尤其是廉金屬熱電偶絲其均質(zhì)性較差，又處于具有溫度梯度的場合，那么其局部將產(chǎn)生熱電動(dòng)勢，該電動(dòng)勢稱為寄生電勢。由寄生電勢引起的誤差稱為不均質(zhì)誤差。
在現(xiàn)有的貴金屬、廉金屬熱電偶檢定規(guī)程中，對熱電偶的不均質(zhì)尚未作出規(guī)定，只有在熱電偶絲材標(biāo)準(zhǔn)中，對熱電偶絲的不均勻性有一定要求。對廉金屬熱電偶采用首尾檢定法求出不均勻熱電動(dòng)勢。正規(guī)熱電偶絲材生產(chǎn)廠，均按國家標(biāo)準(zhǔn)要求，生產(chǎn)出不均勻熱電動(dòng)勢符合要求的產(chǎn)品。
（2）熱電偶絲經(jīng)使用后產(chǎn)生的不均質(zhì)
對于新制的熱電偶，即使是不均勻熱電動(dòng)勢能滿足要求，但是，反復(fù)加工、彎曲致使熱電偶產(chǎn)生加工畸變，也將失去均質(zhì)性，而且使用中熱電偶長期處于高溫下也會(huì)因偶絲的劣化而引起熱電動(dòng)勢變化，例如：插入工業(yè)爐中的熱電偶，將沿偶絲長度方向發(fā)生劣化，并隨溫度增高，劣化增強(qiáng)，當(dāng)劣化的部分處于具有溫度梯度的場所，也將產(chǎn)生寄生電動(dòng)勢疊加在總熱電動(dòng)勢中而出現(xiàn)測量誤差。
作者在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)有的熱電偶經(jīng)計(jì)量部門檢定合格的產(chǎn)品（多為廉金屬熱電偶）到現(xiàn)場使用時(shí)卻不合格。再返回到計(jì)量部門檢定仍然合格，其中主要原因就是偶絲不均質(zhì)引起的。生產(chǎn)熱電偶的技術(shù)人員都切身體會(huì)到，熱電偶的不合格率也隨其長度的增加而增加。皆是受熱電偶絲材不均質(zhì)的影響。總之，由不均質(zhì)即寄生電動(dòng)勢引起的誤差，取決于熱電偶絲自身的不均質(zhì)程度及溫度梯度的大小，對其定量極其困難。
3.2 鎧裝熱電偶的分流誤差
（1）分流誤差
瓦軸集團(tuán)滲碳爐用鎧裝熱電偶，僅使用一周就不準(zhǔn)了。為探討原因，作者曾到現(xiàn)場考察，但未發(fā)現(xiàn)異常，只好從爐子上取下來經(jīng)計(jì)量室檢定結(jié)果合格。那么問題何在呢？*后，根據(jù)該支熱電偶的現(xiàn)場安裝特點(diǎn)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，上述問題是鎧裝熱電偶的分流誤差造成的。
所謂分流誤差即用鎧裝熱電偶測量爐溫時(shí)，當(dāng)熱電偶中間部位有超過800°C的溫度分布存在時(shí),因其絕緣電阻下降，熱電偶示值出現(xiàn)異常的現(xiàn)象，稱為分流誤差。依據(jù)均質(zhì)回路定則，用熱電偶測溫只與測量端與參考端兩端溫度有關(guān)，與中間溫度分布無關(guān)。可是由于鎧裝熱電偶的絕緣物是粉末狀MgO，溫度每升高100°C，其絕緣電阻下降一個(gè)數(shù)量級，當(dāng)中間部位溫度較高時(shí)，必定有漏電流產(chǎn)生，致使在熱電偶輸出電勢中有分流誤差出現(xiàn)。
（2）分流誤差產(chǎn)生的條件
將鎧裝熱電偶水平插入爐內(nèi)，其規(guī)格及實(shí)驗(yàn)條件為：直徑ф4.8mm,長度為25m,中間部位加熱帶的長度為20m，溫度為1000℃。本次實(shí)驗(yàn)中，熱電偶的測量端與中間部位的溫差為200℃。如果測量端溫度高于中間部位，則產(chǎn)生負(fù)誤差；相反，則產(chǎn)生正誤差。如果兩者的溫差為200℃，那么，分流誤差約為100℃。這是**不能忽視的，分流誤差的產(chǎn)生條件與鎧裝熱電偶種類和直徑等因素有關(guān)[2]，見表1。
3.3分流誤差的影響因素及對策
高溫下鎧裝熱電偶產(chǎn)生分流誤差的現(xiàn)象，正在引起人們的重視，因此有必要了解分流誤差的影響因素，并采取適當(dāng)對策以減少或消除分流誤差的影響。
（1）鎧裝熱電偶直徑
對于長度為9米的K型鎧裝熱電偶（MgO絕緣），只將熱電偶中間部位加熱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：分流誤差的大小與其直徑的平方根成反比（直徑過細(xì)，不遵守此規(guī)律），即直徑越細(xì)，分流誤差越大。
當(dāng)中間部位溫度高于800℃時(shí)，對于ф3.2mm鎧裝熱電偶將產(chǎn)生分流誤差。但對于ф6.4mm及ф8mm鎧裝熱電偶，當(dāng)中間部位的溫度為900℃時(shí)，仍未發(fā)現(xiàn)分流誤差。對于ф6.4mm(熱電極絲直徑為ф1.4mm)與ф8mm（熱電極絲直徑為ф2.0mm）的鎧裝熱電偶，當(dāng)中間部位溫度為1100℃時(shí)，直徑為ф8mm的鎧裝熱電偶產(chǎn)生的分流誤差僅為ф6.4mm的一半。此數(shù)值（50%）近視于兩種鎧裝熱電偶電極絲直徑的平方比（1.42/2.02） ,而電極絲直徑平方比,即為電極絲的電阻比。因此，為了減少分流誤差，應(yīng)盡可能選用粗直徑的鎧裝熱電偶。
（2）中間部位的溫度
如果中間部位的溫度超過800℃，有可能產(chǎn)生分流誤差，其大小將隨溫度的升高，呈指數(shù)關(guān)系增大。因此，除測量端外，其它部位應(yīng)盡可能避免超過800℃。
1）中間部位加熱帶長度及位置
當(dāng)中間部位加熱帶溫度高于800℃時(shí)，其加熱帶的長度越長，距離測量端越遠(yuǎn)，分流誤差越大。因此，應(yīng)盡可能縮短加熱帶長度，并且，不要在遠(yuǎn)離測量端處加熱，以減少分流誤差。
（3）熱電偶絲的電阻
當(dāng)鎧裝熱電偶的直徑相同時(shí)，分流誤差將隨熱電偶絲的電阻增大而增加。因此，采用電阻小的熱電偶絲更好。例如：直徑相同的S型鎧裝熱電偶同K型熱電偶相比，其分流誤差減少40%。因此，可采用S型熱電偶測量爐內(nèi)溫場分布，費(fèi)用雖高，但較準(zhǔn)確。
（4） 絕緣電阻
高溫下氧化物的電阻率將隨溫度的升高呈指數(shù)降低,分流誤差的大小主要取決于高溫部分的絕緣性能,絕緣電阻越低,越容易產(chǎn)生分流誤差。當(dāng)絕緣電阻增加10倍或減少至1/10時(shí)，其分流誤差也隨之減少至1/10或增大10倍。為了減少分流誤差，應(yīng)盡可能采用直徑粗的鎧裝熱電偶，增加絕緣層厚度。如果上述措施無效時(shí)，只好采用裝配式熱電偶。
3.4 短程有序結(jié)構(gòu)變化（K狀態(tài)）的影響
K型熱電偶在250℃—600℃溫度范圍內(nèi)使用時(shí)，由于其顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成短程有序結(jié)構(gòu)，因此將影響熱電勢值而產(chǎn)生誤差，這就是所謂的K狀態(tài)[3]。它是Ni—Cr合金特有的晶格變化，當(dāng)Cr含量在5—30%范圍內(nèi)存在著原子晶格的有序無序轉(zhuǎn)變。由此而引起的誤差，因Cr含量及溫度的不同而變化。將K型熱電偶從300℃加熱至800℃，每50℃取一點(diǎn)，測量該點(diǎn)電勢。在450℃時(shí)偏差*大可達(dá)4℃，在350—600℃范圍內(nèi)，均為正偏差。由于K狀態(tài)的存在，使K型熱電偶在升溫或降溫檢定結(jié)果不一致，故在廉金屬熱電偶檢定規(guī)程中明文規(guī)定檢定順序：由低溫向高溫逐點(diǎn)升溫檢定。而且在400℃檢定點(diǎn)，不僅傳熱效果不佳，難以達(dá)到熱平衡，而且，又恰好處于K狀態(tài)誤差*大范圍。因此，對該點(diǎn)判定合格與否時(shí)應(yīng)很慎重。
Ni—Cr合金短程有序結(jié)構(gòu)變化的現(xiàn)象，不僅存在于K型，而且，在E型熱電偶正極中也有此現(xiàn)象。但是，作為變化量E型熱電偶僅為K型的2/3?？傊?，K狀態(tài)與溫度、時(shí)間有關(guān)，當(dāng)溫度分布或熱電偶位置變化時(shí)，其偏差也會(huì)發(fā)生很大變化。故難以對偏差大小作出準(zhǔn)確評價(jià)。
