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熱電偶測(cè)量誤差以及其注意事項(xiàng)（一）

來源：安徽天康（集團(tuán)）股份有限公司 2010年03月07日 17:25

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。總之，由熱傳導(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，尤其是瞬間變化過程，全過程僅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：

① 熱電偶安裝位置，應(yīng)盡可能避開從固體發(fā)出的熱輻射，使其不能輻射到熱電偶表面；

② 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)犭娕迹€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。

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