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工業(yè)熱電偶測量誤差原因及解決方法
日期：2024-09-21 01:50
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摘要：
工業(yè)熱電偶 是溫度測量儀表中常用的測溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換顯示成被測介質(zhì)的溫度。工業(yè)熱電偶在測量中，會出現(xiàn)哪些誤差？如何解決？下面淺談 工業(yè)熱電偶 測量誤差原因及解決方法，盡供用戶參考。
一、 工業(yè)熱電偶 不穩(wěn)定性的影響
不穩(wěn)定性就是指 工業(yè)熱電偶 的分度值隨使用時間和使用條件的不同而起的變化。在大多數(shù)情況下，它可能是不準確性的主要原因。影響不穩(wěn)定性的因素有：玷污，熱電極在高溫下?lián)]發(fā)，氧化和還原，脆化，輻射等。若分度值...
工業(yè)熱電偶 是溫度測量儀表中常用的測溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換顯示成被測介質(zhì)的溫度。工業(yè)熱電偶在測量中，會出現(xiàn)哪些誤差？如何解決？下面淺談 工業(yè)熱電偶 測量誤差原因及解決方法，盡供用戶參考。
一、 工業(yè)熱電偶 不穩(wěn)定性的影響
不穩(wěn)定性就是指 工業(yè)熱電偶 的分度值隨使用時間和使用條件的不同而起的變化。在大多數(shù)情況下，它可能是不準確性的主要原因。影響不穩(wěn)定性的因素有：玷污，熱電極在高溫下?lián)]發(fā)，氧化和還原，脆化，輻射等。若分度值的變化相對地講是緩慢而又均勻的，這時經(jīng)常進行監(jiān)督性校驗或根據(jù)實際使用情況安排周期檢定，這樣可以減少不穩(wěn)定性引入的誤差。
二、 工業(yè)熱電偶 熱電特性不穩(wěn)定的影響
工業(yè)熱電偶 在生產(chǎn)過程中，偶絲經(jīng)過多道縮徑拉伸在其表面總是受玷污的，同時，從偶絲的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，不可避免地存在應(yīng)力及晶格的不均勻性。因淬火或冷加工引入的應(yīng)力，可以通過退火的方法來基本消除，退火不合格所造成的誤差，可達十分之幾度到幾度。它與待測溫度及 工業(yè)熱電偶 電極上的溫度梯度大小有關(guān)。廉金屬 工業(yè)熱電偶 的偶絲通常以“退火”狀態(tài)交付使用，如果需要對高溫用廉金屬 工業(yè)熱電偶 進行退火，那么退火溫度應(yīng)高于其使用溫度上限，插入深度也應(yīng)大于實際使用的深度。貴金屬 工業(yè)熱電偶 則必須認真清洗（酸洗和四硼酸鈉清洗）和退火，以**熱電偶的玷污與應(yīng)力。
三、不均勻性的影響
一般來說 工業(yè)熱電偶 若是由均質(zhì)導(dǎo)體制成的，則其熱電勢只與兩端的溫度有關(guān)，若熱電極材料不是均勻的，且熱電極又處于溫度梯度場中，則工業(yè)熱電偶會產(chǎn)生一個附加熱電勢，即“不均勻電勢”。其大小取決于沿?zé)犭姌O長度的溫度梯度分布狀態(tài)，材料的不均勻形式和不均勻程度，以及熱電極在溫度場所處的位置。造成熱電極不均勻的主要原因有：在化學(xué)成分方面如雜質(zhì)分布不均勻，成分的偏析，熱電極表面局部的金屬揮發(fā)，氧化或某金屬元素選擇氧化，測量端在高溫一的熱擴散，以及 工業(yè)熱電偶 在有害氣氛中受到玷污和腐蝕等。在物理狀態(tài)方面有應(yīng)力分布不均勻和電極結(jié)構(gòu)不均勻等。在工業(yè)使用中，有時不均勻電勢引起的附加誤差竟達30℃這多，這將嚴重地影響 工業(yè)熱電偶 的穩(wěn)定性和互換性，其主要解決方式就是對其進行檢驗，只使用在誤差允許范圍內(nèi)的 工業(yè)熱電偶 。
四、傳熱及 工業(yè)熱電偶 安裝的影響
由于 工業(yè)熱電偶 測溫是屬于接觸式測量，當(dāng)工業(yè)熱電偶插入被測介質(zhì)時，它要從被測介質(zhì)吸收熱量使自身溫度升高，同時又以熱輻射方式和熱傳導(dǎo)方式向溫度低的地方散發(fā)熱量，當(dāng)測量端各外散失的熱量等于自氣流中吸收的熱量時即達到動態(tài)平衡，此時 工業(yè)熱電偶 達到了穩(wěn)定的示值，但并不代表氣流的真實溫度，因為測量端環(huán)境散失的熱量是由氣流的加熱來補償，也就是說測量端與氣流的熱交換處于不平衡狀態(tài)，因此，它們的溫度也不可能具有相同的數(shù)值。測量端與環(huán)境的傳熱愈強，測量端的溫度偏離氣流溫度也愈大。
五、熱輻射誤差
熱輻射誤差產(chǎn)生的原因是 工業(yè)熱電偶 測量端與環(huán)境的輻射熱交換所引起的，這是 工業(yè)熱電偶 與氣流之間的對流換熱不能達到熱平衡的結(jié)果。減少輻射誤差的辦法，一是加劇對流換熱，二是削弱輻射換熱。
具體解決方法有：
1、盡量減少器壁與測量端的溫差，即在管壁鋪設(shè)絕熱層；
2、在 工業(yè)熱電偶 工作端加屏蔽罩；增大流體放熱系數(shù)，即增加流速，加強擾動，減小偶絲直徑或使熱電極與氣流形成跨流等。
六、導(dǎo)熱誤差
在測量高溫氣流的溫度時，由于沿 工業(yè)熱電偶 長度存在溫度梯度，故測量端必然會沿?zé)犭姌O導(dǎo)熱，使得指示溫度偏離實際溫度。導(dǎo)熱量相差越多，相應(yīng)的誤差就越大，因此凡能加劇對流和削弱導(dǎo)熱的因素都可以用來減少導(dǎo)熱誤差。
具體解決方法有：
1、增加L/d：將熱電偶垂直安裝改成斜裝或彎頭處安裝，安裝時應(yīng)注意使 工業(yè)熱電偶 的端對著氣流方向，并處在流速**的位置上；
2、選用 工業(yè)熱電偶 和支桿導(dǎo)熱系數(shù)較小的材料。
七、動態(tài)響應(yīng)誤差
工業(yè)熱電偶 插入被測介質(zhì)后，由于本身具有熱惰性，因此不能立即指示出被測氣流的溫度，只有當(dāng)測量端吸、放熱達到動態(tài)平衡后才達到穩(wěn)定的示值。在 工業(yè)熱電偶 插入后到示值穩(wěn)定之前的整個不穩(wěn)定過程中， 工業(yè)熱電偶 的瞬時示值與穩(wěn)定后的示值存在著偏差，這時 工業(yè)熱電偶 除了有各種穩(wěn)定的誤差外，還存在由 工業(yè)熱電偶 熱惰性引入的偏差，即動態(tài)響應(yīng)誤差。
解決這類誤差的方法：
1、 確定動態(tài)響應(yīng)誤差，予以修正；
2、 將動態(tài)響應(yīng)誤差減少到允許要求的范圍之內(nèi)，此時可認為T測＝T氣。
八、短程有序結(jié)構(gòu)變化（K狀態(tài)）的影響
K型 工業(yè)熱電偶 在250－600℃范圍內(nèi)使用時，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)。這是Ni-Cr合金特有的晶格變化，當(dāng)WCr在5%－30%范圍內(nèi)存在著原子晶格從有序至無序為。由些引起的誤差，因Cr含量及溫度的不同而變化。一般在800℃以上短時間熱處理，其熱電特性即可恢復(fù)。由于K狀態(tài)的存在，使K型 工業(yè)熱電偶 檢定規(guī)程中明文規(guī)定檢定順序：由低溫向高溫逐點升溫檢定。而且在400℃檢定點，不僅傳熱效果不佳，難以達到熱平衡，而且，又恰好處于K狀態(tài)誤差**范圍。因此，對該點判定合格與否時應(yīng)很慎重。Ni-Cr合金短程有序結(jié)構(gòu)變化現(xiàn)象，不僅存在于K型，而且，在E型 工業(yè)熱電偶 正極中也有此現(xiàn)象。但是，作為變化量E型 工業(yè)熱電偶 僅為K型的2/3。總之，K狀態(tài)與溫度、時間有關(guān)，當(dāng)溫度分布或 工業(yè)熱電偶 位置變化時，其偏差也會發(fā)生很大變化。故難以對偏差大小作出準確評價。
九、測量系統(tǒng)漏電影響
絕緣**是產(chǎn)生電流泄漏的主要原因，它對 工業(yè)熱電偶 的準確度有很大的影響，能歪曲被測的熱電勢，使儀表顯示失真，甚至不能正常工作。漏電引起誤差是多方面的，例如，熱電極絕緣瓷管的絕緣電阻較差，使得熱電流旁路。若電測設(shè)備漏電，也能使工作電流旁路，使測量產(chǎn)生誤差。由于測量熱電勢的電位差計都是低電阻的，因此它對絕緣電阻的要求并不高，影響熱電勢測量的漏電主要是來處被測系統(tǒng)的高溫，因為 工業(yè)熱電偶 保護管和熱電極的絕緣材料的絕緣電阻將隨著溫度升高而下降，我們通常所說的鎧裝 工業(yè)熱電偶 的“分流誤差”就屬這類情況。一般是采用接地或其它屏蔽方法。對鎧裝 工業(yè)熱電偶 的分流誤差我們通常是以增大其直徑；增加絕緣層厚度；縮短加熱帶長度；降低 工業(yè)熱電偶 的電阻值等方法來降低誤差的。
十、熱電勢補正法
由中間溫度定律可知，參考端溫度為tn時的熱電勢EAB（t,tn）＝EAB（t,t0）－EAB（tn,t0）。所以，用常溫下的溫度傳感器，只要測出參比端的溫度tn，然后從對應(yīng)電偶的分度表中查出對應(yīng)溫度下的熱電勢E（tn,t0），再將這個熱電勢與所實測的E（t,tn）代數(shù)相加，得出的結(jié)果就是工業(yè)熱電偶參比端溫度為0度時，對應(yīng)于測量端的溫度為t時的熱電勢E（t,t0）**再從分度表中查得對應(yīng)于E（t,0）的溫度，這個溫度就是 工業(yè)熱電偶 測量端的實際溫度t。在計算機應(yīng)用日益廣泛的今天，可以利用軟件處理方法，特別是在多點測量系統(tǒng)或高溫測控中，采用這種方法，可很好的解決參比端溫度的變化問題，只要隨時準確的測出tn，就可以準確得到測量端溫度。同時還充分應(yīng)用了對應(yīng)熱電偶的分度表，并對非線性誤差得到了校正，而且適應(yīng)各種工業(yè)熱電偶。
十一、參考端溫度影響及修正方法
工業(yè)熱電偶 的熱電動勢的大小與熱電極材料以及工作端的溫度有關(guān)。 工業(yè)熱電偶 的分度表和根據(jù)分度表刻度的溫度顯示儀表都是以 工業(yè)熱電偶 參考端溫度等于0℃為條件的。在實際使用 工業(yè)熱電偶 時，其冷端溫度（參考端） 不但不為0 ℃，而且往往是變化的，測溫儀表所測得的溫度值就會產(chǎn)生很大誤差，在這種情況下，我們通常采用如下方法來修正。
1、調(diào)儀表起始點法：由于儀表示值是EAB（tn,t0）對應(yīng)于熱電勢，如果在測量線路開路的情況下，將儀表的指針零位調(diào)定到tn處，就當(dāng)于事先給儀表加了一個電勢EAB（tn,t0），當(dāng)用閉合測量線路進行測溫時，由工業(yè)熱電偶輸入的熱電勢EAB（tn,t0）就與EAB（t,tn）疊加，其和正好等于EAB（t,t0）。因此對直讀式儀表采用調(diào)儀表起始點的方法十分簡便。
2、補償導(dǎo)線：采用補償導(dǎo)線把 工業(yè)熱電偶 的參考端延長到溫度較恒定的地方，再進行修正。從本質(zhì)上來說它并不能消除參考端溫度不為0℃時的影響，因此，還應(yīng)該與其它修正方法結(jié)合才能將補償導(dǎo)線與儀表連接處的溫度修正到0℃。此時參考端己變?yōu)橐粋€溫度不變或變化很小的新參考端。此時的 工業(yè)熱電偶 產(chǎn)生熱電勢己不受原參考端溫度變化影響， EAB （ T、T10 ） 是新參考端溫度T10 （不等于℃） ,且T10 為一常數(shù)時所測得熱電勢， TAB（ T、T10 ） 是參考端溫度T0 = 0 ℃時，工作端為T10時所測得熱電勢（熱電偶分度表中可查出） 。使用補償導(dǎo)線時，不僅應(yīng)注意補償導(dǎo)線的極性，還應(yīng)特別注意不要錯用補償導(dǎo)線，同時應(yīng)注意補償導(dǎo)線與 工業(yè)熱電偶 連接處的兩端溫度保持相等，且溫度在0－100℃（或0－150℃）之間，否則要產(chǎn)生測量誤差。
3、參考端溫度補償器：補償器是一個不平衡電橋，電橋的3 個橋臂電阻是電阻溫度系數(shù)很小的錳銅絲繞制的。其阻值基本上不隨溫度變化而變化，并使R1 = R2 =R3 = 1Ω。另一個橋臂電阻Rt 是由電阻溫度系數(shù)較大的銅繞制而成，并使其在20 ℃時Rt = R1 =1Ω ,此時電橋平衡，沒有電壓輸出，當(dāng)電橋所處溫度發(fā)生變化時， Rt 的阻值也隨之改變，于是就有不平衡電壓輸出，此輸出電壓用來抵消參考端溫度變化所產(chǎn)生的熱電勢誤差，從而獲得補償。（注：我國也有以0℃作為平衡點溫度的）當(dāng)溫度達到40℃（即計算點溫度）時橋路的輸出電壓恰好補償了熱電偶參比端溫度偏離平衡點溫度而產(chǎn)生的熱電勢變化量。對電子電位差計，其測量橋路本身就具有溫度自動補償?shù)墓δ?，使用時無需再調(diào)整儀表的溫度起始點。除了平衡點和計算點外，在其他各參比端溫度值時只能得到近似的補償，因此采用冷端補償器作為參比端溫度的處理方**帶來一定的附加誤差。
