工作用廉金属热电偶测量误差的产生与修正

摘要:工作用廉金属热电偶是工业生产过程中最常用的感温元件之一。本文阐述了工作用廉金属热电偶在使用过程中为减少测量误差所进行的选择、外观检查及安装基本要求，并简要分析了此类热电偶由于人为安装操作不当、设备不稳定性、设备不均匀性、参考端温度改变等诸多原因所产生的测温测量误差及误差的修正方法。
1引言
　　工业上测量温度所用的感温元件种类繁多，工作用廉金属热电偶(以下在不引起歧义时简称为热电偶)是其中应用最广泛一种。它具有结构简单、使用方便、测温范围广和价格实惠等优点。在实际工作中，影响热电偶测温结果的因素很多，以下从选择、安装要求入手，简析热电偶误差的产生和修正方法:
要求
2工作用廉金属热电偶的选择、外观检查及安装
2.1工作用廉金属热电偶的选择及外观检查
　　正确使用热电偶是减少热电偶检测误差的有效措施之一，因此在用热电偶测温的现场使用中应注意以下几点:(1)选择热电势合适的热电偶(2)正确使用热电偶的精度，(3)必须根据实际使用条件合理选用热电偶(4)正确选用补偿导线。各种补偿导线只能与相应型号的热电偶配用，否则不仪不能起到补偿作用，反而会增加检测误差。(5)热电偶在强电场的干扰下工作时，需将检测端接地，接地材料应与热电偶中的一个电极材料相同，以免造成测量端成分变化(6)新制热电偶电极应平直、无裂痕、直径应均匀。使用中的热电偶电极不应有严重的腐蚀及明显的缩径等缺陷，热电偶的测量端焊接应牢固、星球状，表面光滑，无气孔、无夹渣。
2.2工作用热电偶的安装要求
　　热电偶安装和使用不当，不仅会增加测量误差，还会降低热电偶的使用寿命。因此热电偶在安装过程中应注意以下几点:(1)热电偶应选择合适的安装地点。将热电偶装于温度较均匀且能代表工作温度地方。不应装在加热源太近的地方，应尽可能避开强磁场和电场。热电偶原参考端尽量避免温度过高。(2)正确使用热电偶的精度:热电偶插入温场深度要适合，一般不应小于200mm热电偶保护管与炉壁之间的空隙，须用石棉堵塞，以免空气对流影响测温正确性。(3)必须根据实际使用条件合理选用热电偶，保证热电偶的热电特性的稳定(5)热电偶应尽可能保持垂直使用，以防保护管在高温下变形。若需水平安装时插人深度不应大于500mm,露出部分应采用架子托牢，并在使用一"段时间后，将其旋转180°。
3补偿导线所引起的误差及修正方法
　　由热电偶的测温原理得知，只有当热电偶的参考端温度保持不变时，其热电势才是被测温度的单值函数。但在实际应用中，由于热电偶的参考端和测量端经常离的很近，而且参考端又暴露在空气中，容易受到周围环境温度的影响，使参考端温度难以保持恒定。为了消除因参考端温度波动所引起的测量误差，可将热电偶做的很长，使其参考端远离测量端。但这样一来会造成热电极材料的浪费，特别是对于由贵金属组成的热电极材料这样做很不经济。补偿导线就是为解决这个问题而产生的，它的特点是在参考端温度可能变化的范围内(0℃~100℃或200℃),补偿导线与相连接的热电偶具有相同的热电特性，热电偶回路加入相应型号的补偿导线后，其热电势仅与测量端温度和补偿导线与仪表连接处温度有关，而与热电偶本身参考端的温度变化无关，就好像把热电偶延长了-样，所以在测温中，使用热电偶用补偿导线，可以将热电偶参考端延伸到远离热源和环境温度较稳定的地方，以便于正确地对参考端温度进行修正，减少因参考端温度过高和波动引起的测量误差，达到测温的目的。
4现场干扰引起的误差及消除方法
　　在现场使用高温下，热电偶绝缘材料及加热炉的耐火砖绝缘性能的降低，使加热炉的电源经发热体、炉砖、热电偶保护管及绝缘材料泄露到热电极上造成漏电干扰，及在热电偶测量回路附近有大功率电机、变压器、强电流导线等。都会产生较强的交变磁场、高压电场或较大的地电流，它们在热电偶检测回路中，将产生附加电动势，造成检测误差，严重时甚至无法检测。
5热电偶不均匀性和不稳定性的影响及消除方法
5.1不均匀性的影响
　　热电偶的均匀性是指热电偶热电极材料的均匀程度。热电偶两热电极若是均匀的，则热电偶回路的热电势只与两端温度差有关，而与热电极长度的温度梯度无关，若两热电极材料不均匀，热电偶回路就会产生-个附加热电势。从而降低了测温的正确性，产生测量误差。在使用过程中，偶丝局部受拉伸、弯曲变形以及在高温下介质气氛、保护管、绝缘材料等对热电极的局部玷污、腐蚀或晶粒结构的改变都会使热电极材料产生不均匀性。为了减小此项误差对测量结果的影响，热电偶在使用过程中都必须严格按照国家标准及技术方法进行。标准热电偶的不均匀性热电势要求见表1。
 
5.2影响热电偶不稳定性因素
　　不稳定性是指在一定温度下，热电偶的热电特性随时间和使用条件的不同而发生变化的程度，如果不稳定性严重，热电偶的热电特性变化就大，测温的正确性就差，反之稳定性越好，热电偶的热电特性变化就小，测温的正确性就高。因此，不稳定性反映了热电偶测温的正确程度。影响热电偶不稳定性因素有很多，下面分析几个主要因素:
5.2.1高温下环境对热电偶的玷污和腐蚀
　　热电偶在使用过程中，不可避免的要受到保护管杂质或环境气氛的玷污和腐蚀，这种玷污、腐蚀就会造成热电偶的热电特性骗你原来的分度特性，从而引起误差。玷污、腐蚀的程度不同，造成的影响不同。即热电特性改变的程度不同，引入的误差也不同。--般认为这是造成热电偶不稳定性的一个主要因素。
5.2.2热电偶在使用中氧化和挥发
　　很多热电偶的热电极材料在使用过程中要与氧发生化学反应，如镍铬-镍硅、铜-康铜等，使用热电极材料的成分发生变化。从而导致其热电特性发生改变。如果热电极是均匀氧化，造成的影响可能小一些，若是择优氧化，所造成的影响是很严重的，即热电特性的改变很大。如镍铬-镍硅热电偶的镍铬电极在弱氧气氛中铬将择优氧化，从而使偶丝材料的组分发生变化。
5.2.3脆化和辐射
　　热电偶的热点及由于玷污、晶粒生长以及发生氧化还原反应和长期在高温下载结晶等因素，都死导致热电极脆化的原因，热电极用于原子反应堆中，受到中子轰击，其中某种元素蜕变成其他元素，改变了热电极成分。如铠装铂铑热电偶的铑会转变成钯，少量的铂会先变成金，在转变汞。使热点特性发生变化，热电势变小。而廉金属热电偶有的对中子辐射嬗变不明显，如铁、镍铬、镍硅。但铜在辐射下嬗变引起很大的成分改变。因此再有中子辐射的情况下，使用镍铬-镍硅热电偶比较适宜。
5.2.4热电偶受外力作用引起变形所产生的应力
　　热电偶在高温时，热电极材料的强度会降低，如果热电偶安装不当，例如水平安装，则在高温下回会因自重的影响向下弯曲变形，或者热电极受到外力作用引起变形，这些变形均会产生应力，从而改变热电特性。因此应注意避免热电极受外耐热金属支架来支撑，以防止弯曲。
6参考端温度变化所引起的误差及实验分析
　　热电偶是基于热电效应进行温度测量的，焊接的一-端叫测量端，未焊接的一端叫参考端。由热电偶的测温原理可知，热电势的大小与热电偶两端温度有关，要正确的测量温度，必须使参考端的温度恒定，所以实验室检定时参考端温度一般恒定在0℃，这也便于制造有统--的标准。因此在现场使用时应有能测量参考端温度并对参考端温度进行补偿的温度仪表。在对热电偶进行检定时，参考端温度的变化会对检测结果产生巨大的影响，从而影响热电偶的检定，我们使用器号为:150325074热电偶进行2次实验分析如下:
 
 
　　根据两次实验的比对发现在实验室对热电偶检定时参考端温度如果没有保持在0℃恒温，就会使测量结果偏离实际值。从而造成测量的不正确性。在现场使用时也必须选择实时测量参考端温度并进行温度补偿的仪表。
7结语
　　通过上述误差来源综述，可得出结论:热电偶的不稳定性、不均匀性、参考端温度变化以及热电偶安装使用不当都可以引起测量误差，其中参考端温度变化对测量的影响较大。