对热电偶测温误差的分析

摘要:测温误差是始终存在于热电偶测温过程中。如何才能最大限度地减小测温误差提高精度。详细探讨了影响测量误差的主要因素:插入深度、热响应时间、热辐射、热阻抗和热电偶劣化等,提出相应的解决方案,对提高测量精度,延长热电偶寿命,以期对实践有一定帮助。
一、前言
　　热电偶是测温领域中最常用的传感器之一,因其结构简单、动态响应快、测量范围广等特点而得到广泛应用。因此,对热电偶测温精度的控制就显得尤为重要。尽管测量误差是客观存在的,但我们必须最大限度地减小测量误差,提高测量精度。因此，必须要清楚热电偶测温误差的产生原因和解决办法。
二、热电偶测温原理
　　热电偶测温原理是基于物体的热电效应,即将两种电子密度不同的金属导体首尾相接组成闭合回路,如果两端温度不同,在回路中就会产生热电动势,形成热电流,这样就可将温度信号转换为电压信号以便于测量。热电偶测温的优点是其测量精度高，动态响应快,测温范围广及信号可远传,便于温度的集中监测和自动控制。
三、热电偶测量误差分析
(一)插入深度
1、测温点的选择。热电偶的安装位置,即测温点的选择是最重要的,选择测温点时应具有典型性、代表性,否则将失去测量与控制的意义。测温元件热电偶应安装在测量值能代表被测介质温度的位置,不得装在管道和设备的死角,且不应受到剧烈震动和冲击。
2、插入深度的控制。热电偶测温时,沿着传感器长度方向会产生热流,如果冷热端温差较大,就会有热损失产生,这将导致热电偶热端温度比被测实际温度偏低而产生测温误差。为了解决这种由热传导引起的误差,必须保证热电偶有足够的插入深度,而插入深度又与保护管材质有关。金属保护管因其导热性能好,其插入深度应该深一-些。例如:对高温高压蒸汽管道和一-般流体介质管道,插入深度与其公称通径或管道外径的大小有关。详见表1:
 
　　从表1可以看出,对高温高压蒸汽管道的公称通径小于等于250m时,插入深度宜为70nm,公称通径大于250m时,插入深度宜为100mo-般流体介质管道的外径小于等于500nm时,插入深度宜为管道外径的1/2外径大于500mm时,插入深度宜为300mmg当然,具体插入深度还必须兼顾容器体积或管道内径等因素。对于实际工程测温,其插入深度还应考虑被测介质的静止或流动状态,如果是流动的液体或气体,可以不受上述条件限制，插入深度可适当浅一些,具体数值由实际情况分析确定.
(二)热响应时间
　　接触法测温的基本原理是测温元件要与被测对象达到热平衡。在测温时需要保持一定时间,才能使两者达到热平衡,而保持时间的长短,同测温元件的热响应时间有关。热响应时间主要取决于传感器的结构及测量条件,差别极大。对于气体介质,尤其是静止气体,至少应保持30min以上才能达到平衡;对于液体而言,最快也要在5min以上。对于温度不断变化的被测场所,尤其是瞬间变化过程,整个过程仅1秒钟,则要求传感器的响应时间在毫秒级。普通的温度传感器不仅跟不上被测对象的温度变化速度出现滞后,而且也会因达不到热平衡而产生测量误差。因此,最好选择响应快的传感器。
(三)热辐射
　　插入炉内用于测温的热电偶,将被高温物体发出的热辐射加热。假定炉内气体是透明的,而且,热电偶与炉壁的温差较大时,将因能量交换而产生测温误差。
在单位时间内,两者交换的热辐射能为P,可用下式表示:
P=σε(Tw⁴-Tt⁴)
式中:.σ一波尔兹曼常数
ε一发射率
Tw一热电偶温度
Tt一炉壁温度
　　在单位时间内,热电偶同周围的气气体(温度为T)提高对流及热传导也将发生热量交换的能量为P'
P'=αA(T-Tt)
式中:α一热导率
A一热电偶的表面积
在正常状态下,P=P',其误差为:
Tt-T=σε(Tw⁴-Tt⁴)/αA
对于单位面积而言,其误差为:
Tt-T=σε(Tw⁴-Tt⁴)/α
　　因此,为了减少热辐射误差,应增大热传导，并使炉壁温度能接近热电偶的温度,热电偶在安装时应注意:1.热电偶安装位置应尽可能避开从固体发出的热辐射,使其不能辐射到热电偶表面;2.热电偶最好带有热辐射遮蔽套。一般生产厂家都通过各种工艺进行控制这种误差。
(四)热阻抗
　　在高温下使用的热电偶,如果被测介质为气态,那么保护管表面沉积的灰尘等将烧熔在表面.上,使保护管的热阻抗增大;如果被测介质是熔体,在使用过程中将有炉渣沉积,不仅增加热电偶的响应时间,而且还使指示温度偏低。因此,除了定期检定外,为了减少误差,经常抽检套管是否结焦也是必要的。
(五)热电偶的劣化
　　所谓热电偶的劣化,即热电偶经使用后,出现老化变质的现象。由金属或合金构成的热电偶,在高温下其内部晶粒要逐渐长大,合金中含有少量杂质,其位置或形状也将发生变化,而且,对周围环境中的还原或氧化性气体也要发生反应。伴随上述变化,热电偶的热电动势也将极其敏感地发生变化。因此,热电偶的劣化现象是不可避免的。
　　热电偶的劣化因其自身情况不同而异,主要原因是一方面,热电偶材料本身长期在高温作用下发生变质;另一方面,测温环境各种气氛对热电偶的作用使热电极发生质变。因此,在注意控制各种热电偶测温条件的同时,也要定期对热电偶进行检定。
四结论
　　尽管热电偶测温误差会因为插入深度、热响应时间、热辐射及热阻抗热电偶劣化等因素而存在,但如果能够清楚误差产生的原因,掌握解决办法,并积极采取相应有效的补偿措施,仍然能够减小测温误差,提高测量精度,从而延长热电偶的使用寿命。