不均匀温度场对热电偶测温的影响

摘要:论述了不均匀温度场产生的原因,阐述了测量端接点及热电极不均匀性的影响。
一、前言
　　热电偶是工业上应用最广泛的一种测温元件,热电偶标准化的共有七种。我公司作为铝、镁合金加工企业,热处理是整个工艺过程中较为重要的环节,也就是说温度量控制与检测正确与否直接影响着产品的质量和性能。从测温范围来讲属于中低温区，常用的热电偶为K型镍铬-镍硅热电偶。从热处理炉的检测、控制与测试过程中，炉内温度存在着--定的温度梯度，由于该现象的存在直接影响其检测控制精度。
二、热电偶的工作原理
　　两种不同性质的导体A和B在两个端点处连接起来形成-一个闭合回路。设两接点温度为t和to,如图1所示。当t和to不相等,且假设t>t0时,回路中有电动势EA(t,t0),产生这一现象称为热电效应或塞贝克效应。所产生的电动势也称塞贝克电势。图1
 
　　塞贝克电势实际是由接触电势和温差电势两部分所组成。回路中总的热电势EAB(t,t0)为:
EAB(t,t0)-EAB(t)-EA(t,to)+EB(t,t0)-EAB(t0)
式中:
EAB(t)、EAB(t0)一-温度分别t,t0时AB之间的接触电势
EA(t,t0)、EB(t,t0)--AB电极在两端温度分别为t,t0时各自所产生的温差电势
　　当热点偶材料确定后,一般认为热电极是均匀的,总电势只与材料的电子密度有关,而电子密度不仅取决于两种材料特性且随温度变化而变化,所以材料成分一定时，总热电势只与温度t和t0有关,这样　EAB(t,t0)与被测温度T就有单值函数关系,称为热电偶的热电特性。由此可知,热电偶产生热电势只与两接点温度有关,与导体截面面积及长度无关,也与热电极的温度分布无关。下面具体探讨工业炉不均匀温度场给热电偶可能带来的影响。
三、产生不均匀温度场的原因
　　从工业炉种类、类型看可分为各种不同的级别。如从控制精度传递介质,不同温度范围可分中低温炉,从热处理过程可分为淬火炉、退火炉、均热炉、熔炼炉、加热炉。不论是何种系列的炉子,均匀温度量作为主要控制参数。热力学第二定律说明了热量在传导过程中，即高温向低温传导或低温向高温传导,均要受到影响。也就是说,凡是有温差存在的地方就会有热传导过程。热交换过程可分为三种基本形式:热传导、对流换热、热辐射,单纯的导热现象只能发生在固体中,在液体或气体中会同时发生导热对流和辐射。
　　工业炉由于绝热材料性能不同,被加热部件形状大小不同，炉内热传导介质循环状态不同，被加热介质的状态不同,均影响着炉内温度分布,使温度场存在着温度梯度,即炉内温度空间分布存在不同的等温面。由于炉内温度场扰动源较多,其内温度变化会出现不均匀性。由于不均匀性温度场的出现直接影响着热电偶的测温精度。.
四、测端接点的影响
　　热电偶测量端的构成方式有焊接.铆接、压接等多种形式。实际操作时,测量端出现了第三种金属,如两个热电极的焊点就是另一种金属,所以测量时应保证测量端温度-致,以避免出现测量误差。
　　当焊接、铆接、压接所制作的热电偶其回路均可加入第三种金属，如图二所示,其回路总电势EABC((t,t0)为
 
　　存在着附加热电势,即引入中间金属导体后,对回路总电势产生影响。
　　测量端接点形式各不相同,所产生误差因素也不同,热电偶回路中接入第三种金属两端温度相同,且总回路热电势大小和方向不受影响,如液态金属保证了第三种金属温度-致,小焊点接触点小,可认为是处于等温状态,在焊接、铆接、压接时,应使两电极尽量接近,接点尽量小,以减少受测量处温度梯度的影响。为了减少热电偶丝导热引起被测量表面温度场的变化应沿等温面或等温线辐射。
五、热电极不均匀的影响
　　一般把沿电极丝长度方向的物理、化学性能的变化叫做热电极的不均匀性,可分为延伸型和局部型。延伸型的不均匀性表现为在不长的热电极.上的热电特性的逐渐变化，产生的原因是控制过程不均匀,局部不均性表现为在不长的热电极上的热点特性的突然变化没有一定的规律性,产生的原因是材料存在着杂质结晶结构发生变化,加工局部硬化。
　　把不均匀的热电极置于不均匀的温度场中,会产生一个附加电势,--般称之为不均匀热电势。热电偶的塞贝克系数,即热电率:de/dt
不均质热电偶塞贝克系数:
SABSABO+hAB
SAB-----不均质热电偶塞贝克系数
SABO------均质热电偶塞贝克系数
hAB------偶的不均匀度
热电势为E=Eo+△E
E0-----均质热电偶所产生的热电势
△E-----热电偶的不均质误差
　　热电偶的热电势不仅取决于它的测量端和参考端的温度值，而且与温度沿着热电极的分布状态有关,热电极的不均匀性越大,后者影响越显著。为了探讨材料不均匀性的影响，选择存在着不均匀性问题的K型热电偶做实验，实验结果表明，接入300mm时炉温为1000℃时产生误差3.2℃,插入340mm时，误差为I-4℃,说明在温度梯度越大时,热电偶的不均匀性误差越大。
六、结束语.
　　热电偶采用焊接方式，其焊点质量将直接影响测量温度的可靠性和正确率,可以通过清洗退火的途径,来降低热电偶的不均质误差,清洗可清除电极表面的杂质.有机物和氧化物,退火可以消除内应力,使成分扩散而变均匀,退火应在均匀温度场中退火,否则将会给热电偶带来延伸型的不均匀性。热电偶两电极的不均匀性效应可能是叠加的,也可能是相减的,因此,通过相应处理和选择不均匀性的校正是可能的。