熱電偶解決問(wèn)題和安裝方法﹑zui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(cè)量誤差。針對(duì)當(dāng)前存在的問(wèn)題，詳細(xì)探討影響測(cè)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(duì)提高測(cè)量精度，延長(zhǎng)熱電偶?jí)勖?，有一定幫助?/p>

關(guān)鍵詞：測(cè)量誤差； 注意事項(xiàng)；分流誤差； K狀態(tài)； 熱電偶劣化

1.前言

    在現(xiàn)有的測(cè)溫系統(tǒng)中，zui常用的溫度傳感器—熱電偶，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jiǎn)單，但在使用中仍然會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題。例如：安裝或使用方法不當(dāng)，將會(huì)引起較大的測(cè)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(cè)量精度，減少測(cè)量誤差，延長(zhǎng)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(shí)。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(cè)量誤差及其注意事項(xiàng)。

2．測(cè)量誤差的主要影響因素

2．1插入深度的影響

（1）測(cè)溫點(diǎn)的選擇

    熱電偶的安裝位置，即測(cè)溫點(diǎn)的選擇是zui重要的。測(cè)溫點(diǎn)的位置，對(duì)于生產(chǎn)工藝過(guò)程而言，一定要具有典型性、代表性，否則將失去測(cè)量與控制的意義。

（2）插入深度

    熱電偶插入被測(cè)場(chǎng)所時(shí)，沿著傳感器的長(zhǎng)度方向?qū)a(chǎn)生熱流。當(dāng)環(huán)境溫度低時(shí)就會(huì)有熱損失。致使熱電偶與被測(cè)對(duì)象的溫度不一致而產(chǎn)生測(cè)溫誤差?？傊蔁醾鲗?dǎo)而引起的誤差，與插入深度有關(guān)。而插入深度又與保護(hù)管材質(zhì)有關(guān)。金屬保護(hù)管因其導(dǎo)熱性能好，其插入深度應(yīng)該深一些（約為直徑的15—20倍），陶瓷材料絕熱性能好，可插入淺一些（約為直徑的10-15倍）。對(duì)于工程測(cè)溫，其插入深度還與測(cè)量對(duì)象是靜止或流動(dòng)等狀態(tài)有關(guān)，如流動(dòng)的液體或高速氣流溫度的測(cè)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(shí)驗(yàn)確定。

2．2響應(yīng)時(shí)間的影響

    接觸法測(cè)溫的基本原理是測(cè)溫元件要與被測(cè)對(duì)象達(dá)到熱平衡。因此，在測(cè)溫時(shí)需要保持一定時(shí)間，才能使兩者達(dá)到熱平衡。而保持時(shí)間的長(zhǎng)短，同測(cè)溫元件的熱響應(yīng)時(shí)間有關(guān)。而熱響應(yīng)時(shí)間主要取決于傳感器的結(jié)構(gòu)及測(cè)量條件，差別極大。對(duì)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(dá)到平衡；對(duì)于液體而言，zui快也要在5min以上。

    對(duì)于溫度不斷變化的被測(cè)場(chǎng)所，尤其是瞬間變化過(guò)程，全過(guò)程僅1秒鐘，則要求傳感器的響應(yīng)時(shí)間在毫秒級(jí)。因此，普通的溫度傳感器不僅跟不上被測(cè)對(duì)象的溫度變化速度出現(xiàn)滯后，而且也會(huì)因達(dá)不到熱平衡而產(chǎn)生測(cè)量誤差。選擇響應(yīng)快的傳感器。對(duì)熱電偶而言除保護(hù)管影響外，熱電偶的測(cè)量端直徑也是其主要因素，即偶絲越細(xì)，測(cè)量端直徑越小，其熱響應(yīng)時(shí)間越短。測(cè)溫元件熱響應(yīng)誤差可通過(guò)下式確定 [1]。

Δθ=Δθ0exp（-t/τ）（2—1）

式中 t—測(cè)量時(shí)間S，

Δθ—在 t時(shí)刻，測(cè)溫元件引起的誤差，K或℃

Δθ0—“t=0” 時(shí)刻，測(cè)溫元件引起的誤差，K或℃

τ—時(shí)間常數(shù) S

e —自然對(duì)數(shù)的底（2.718）

因此，當(dāng)t=τ時(shí)，則Δθ=Δθ0/e即為0.368，

如果當(dāng)t=2τ時(shí),則Δθ=Δθ0/e2即為0.135。

    當(dāng)被測(cè)對(duì)象的溫度,以一定的速度α（k/s或℃/s）上升或下降時(shí),經(jīng)過(guò)足夠的時(shí)間后,所產(chǎn)生的響應(yīng)誤差可用下式表示：

Δθ∞=-ατ（2—2）

式中Δθ∞—經(jīng)過(guò)足夠時(shí)間后，測(cè)溫元件引起的誤差。

    由式（2—2）可以看出，響應(yīng)誤差與時(shí)間常數(shù)（τ）成正比。為了提高檢定效率許多企業(yè)采用自動(dòng)檢定裝置，對(duì)入廠熱電偶進(jìn)行檢定，但是，該裝置也并非十分完善。二汽變速箱廠熱處理車間就發(fā)現(xiàn)如果在400℃點(diǎn)的恒溫時(shí)間不夠，達(dá)不到熱平衡，就容易發(fā)生誤判。

2．3熱輻射的影響

    插入爐內(nèi)用于測(cè)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(shí)，將因能量交換而產(chǎn)生測(cè)溫誤差。

在單位時(shí)間內(nèi)，兩者交換的輻射能為P，可用下式表示：

P=σε（Tw4 - Tt4 ）（2—3）

式中σ—斯忒藩—波爾茲常數(shù)

ε—發(fā)射率

Tt—熱電偶的溫度 , K

Tw—爐壁的溫度 ,K

在單位時(shí)間內(nèi),熱電偶同周圍的氣體（溫度為T）,通過(guò)對(duì)流及熱傳導(dǎo)也將發(fā)生熱量交換的能量為P′

P′=αA（T-Tt）（2—4）

式中 α—熱導(dǎo)率

A— 熱電偶的表面積

在正常狀態(tài)下，P= P′，其誤差為：

Tt-T=σε（Tt4-Tw4）/αА（2—5）

對(duì)于單位面積而言其誤差為

Tt-T=σε（Tt4-Tw4）/α（2—6）

    因此，為了減少熱輻射誤差，應(yīng)增大熱傳導(dǎo)，并使?fàn)t壁溫度Tw ，盡可能接近熱電偶的溫度Tt。另外，在安裝時(shí)還應(yīng)注意：

• 熱電偶安裝位置，應(yīng)盡可能避開(kāi)從固體發(fā)出的熱輻射，使其不能輻射到熱電偶表面；
• 熱電偶帶有熱輻射遮蔽套。

2．4熱阻抗增加的影響

    在高溫下使用的熱電偶，如果被測(cè)介質(zhì)為氣態(tài)，那么保護(hù)管表面沉積的灰塵等將燒熔在表面上，使保護(hù)管的熱阻抗增大；如果被測(cè)介質(zhì)是熔體，在使用過(guò)程中將有爐渣沉積，不僅增加了熱電偶的響應(yīng)時(shí)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。例如，進(jìn)口銅熔煉爐，不僅安裝有連續(xù)測(cè)溫?zé)犭娕?，還配備消耗型熱電偶測(cè)溫裝置，用于及時(shí)校準(zhǔn)連續(xù)測(cè)溫用熱電偶的準(zhǔn)確度。

3.熱電偶劣化與使用壽命

3.1熱電偶的劣化

    熱電偶的使用壽命與其劣化有關(guān)，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)周圍環(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)也將極其敏感的發(fā)生變化。因此熱電偶的劣化現(xiàn)象是不可避免的。

3.2熱電偶的使用壽命

    熱電偶的劣化是一個(gè)量變過(guò)程，對(duì)其定量很困難，將隨熱電偶的種類﹑直徑﹑使用溫度﹑氣氛﹑時(shí)間的不同而變化。熱電偶的使用壽命是指熱電偶劣化發(fā)展到超過(guò)允許誤差，甚至斷線不能使用的時(shí)間。

（1）裝配式熱電偶的壽命

    我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中僅對(duì)熱電偶的穩(wěn)定性有要求。即規(guī)定在某一溫度下經(jīng)200h，使用前后熱電動(dòng)勢(shì)的變化。但是，尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)使用壽命有規(guī)定。日本有關(guān)熱電偶使用壽命的要求，是依據(jù)日本JIS（C-1602-1995）標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的熱電偶連續(xù)使用時(shí)間。對(duì)B﹑R﹑S型熱電偶而言為2000h,K﹑E﹑J﹑T型熱電偶為10000h。

    在實(shí)際使用時(shí)，裝配式熱電偶通常有保護(hù)管，只有在特殊情況下才裸絲使用。因此，在多數(shù)場(chǎng)合下，保護(hù)管的壽命決定了熱電偶?jí)勖?duì)熱電偶的實(shí)際使用壽命的判斷，必須是通過(guò)長(zhǎng)期收集﹑積累實(shí)際使用狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，才有可能給出較準(zhǔn)確的結(jié)果[5]。

（2）鎧裝熱電偶的壽命

    由于鎧裝熱電偶有套管保護(hù)與外界環(huán)境隔絕，因此套管材質(zhì)對(duì)鎧裝熱電偶的壽命影響很大，必須根據(jù)用途選擇熱電偶絲及金屬套管。當(dāng)材質(zhì)選定后，其壽命又隨著鎧裝熱電偶直徑的增大而增加。鎧裝熱電偶同裝配式熱電偶相比，雖有許多優(yōu)點(diǎn)，但使用壽命往往低于裝配式熱電偶。

4.  熱電偶測(cè)溫應(yīng)注意的事項(xiàng)

4. 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(shuō)只能體現(xiàn)或主要體現(xiàn)出從測(cè)量端開(kāi)始300mm長(zhǎng)偶絲的熱電行為，然而，當(dāng)熱電偶的長(zhǎng)度較長(zhǎng)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(cè)量結(jié)果與長(zhǎng)度無(wú)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(chǎng)合，那么其局部將產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)稱為寄生電勢(shì)。由寄生電勢(shì)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(duì)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(duì)熱電偶絲的不均勻性有一定要求。對(duì)廉金屬熱電偶采用首尾檢定法求出不均勻熱電動(dòng)勢(shì)。正規(guī)熱電偶絲材生產(chǎn)廠，均按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，生產(chǎn)出不均勻熱電動(dòng)勢(shì)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(duì)于新制的熱電偶，即使是不均勻熱電動(dòng)勢(shì)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(zhǎng)期處于高溫下也會(huì)因偶絲的劣化而引起熱電動(dòng)勢(shì)變化，例如：插入工業(yè)爐中的熱電偶，將沿偶絲長(zhǎng)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(chǎng)所，也將產(chǎn)生寄生電動(dòng)勢(shì)疊加在總熱電動(dòng)勢(shì)中而出現(xiàn)測(cè)量誤差。

    作者在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)有的熱電偶經(jīng)*檢定合格的產(chǎn)品（多為廉金屬熱電偶）到現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)卻不合格。再返回到*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(zhǎng)度的增加而增加。皆是受熱電偶絲材不均質(zhì)的影響?？傊?，由不均質(zhì)即寄生電動(dòng)勢(shì)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(duì)其定量極其困難。

4.2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(chǎng)考察，但未發(fā)現(xiàn)異常，只好從爐子上取下來(lái)經(jīng)計(jì)量室檢定結(jié)果合格。那么問(wèn)題何在呢？zui后，根據(jù)該支熱電偶的現(xiàn)場(chǎng)安裝特點(diǎn)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，上述問(wèn)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(cè)量爐溫時(shí)，當(dāng)熱電偶中間部位有超過(guò)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(cè)溫只與測(cè)量端與參考端兩端溫度有關(guān)，與中間溫度分布無(wú)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(jí)，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(shì)中有分流誤差出現(xiàn)。

表1鎧裝熱電偶產(chǎn)生分流誤差的條件