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热电偶测量误差及其注意事项

--热电偶测量误差及其注意事项

供稿:天津森思特科技有限公司 2010/6/9 14:48:00

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  • 关键词: 测量误差 注意事项 分流误差
  • 摘要:热电偶是一种最简单﹑最普通的温度传感器。可是如果在使用中不注意,也会引起较大测量误差。针对当前存在的问题,详细探讨影响测量误差的主要因素:热电偶插入深度﹑响应时间﹑热辐射及热阻抗等,指出热电偶丝不均质﹑铠装热电偶分流误差﹑K型热电偶的选择性氧化﹑K状态﹑使用气氛﹑绝缘电阻及热电偶劣化等在使用中应注意事项。对提高测量精度,延长热电偶寿命,有一定帮助。

摘要: 热电偶是一种最简单﹑最普通的温度传感器。可是如果在使用中不注意,也会引起较大测量误差。针对当前存在的问题,详细探讨影响测量误差的主要因素:热电偶插入深度﹑响应时间﹑热辐射及热阻抗等,指出热电偶丝不均质﹑铠装热电偶分流误差﹑K型热电偶的选择性氧化﹑K状态﹑使用气氛﹑绝缘电阻及热电偶劣化等在使用中应注意事项。对提高测量精度,延长热电偶寿命,有一定帮助。


关键词:测量误差; 注意事项;分流误差; K状态; 热电偶劣化

 
1. 前言
        在现有的测温系统中,最常用的温度传感器—热电偶,因其结构简单,往往被误认为“热电偶两根线,接上就完事”,其实并非如此。 热电偶的结构虽然简单,但在使用中仍然会出现各种问题。例如:安装或使用方法不当,将会引起较大的测量误差,甚至检定合格的热电偶也会因操作不当,在使用时不合格,在渗碳等还原性气氛中,如果不注意,K型热电偶也会因选择性氧化而超差。


        为了提高测量精度,减少测量误差,延长热电偶使用寿命,要求使用者不仅应具备仪表方面的操作技能,而且还应具有物理、化学及材料等多方面知识。作者根据多年实践,并参阅有关资料较详细地介绍热电偶的测量误差及其注意事项。

 
2.测量误差的主要影响因素
2.1插入深度的影响
(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。测温点的位置,对于生产工艺过程而言,一定要具有典型性、代表性,否则将失去测量与控制的意义。

(2)插入深度
        热电偶插入被测场所时,沿着传感器的长度方向将产生热流。当环境温度低时就会有热损失。致使热电偶与被测对象的温度不一致而产生测温误差。总之,由热传导而引起的误差,与插入深度有关。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(约为直径的15—20倍),陶瓷材料绝热性能好,可插入浅一些(约为直径的10-15倍)。对于工程测温,其插入深度还与测量对象是静止或流动等状态有关,如流动的液体或高速气流温度的测量,将不受上述限制,插入深度可以浅一些,具体数值应由实验确定。


2.2响应时间的影响
        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。因此,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。而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,全过程仅1秒钟,则要求传感器的响应时间在毫秒级。因此,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。最好选择响应快的传感器。对热电偶而言除保护管影响外,热电偶的测量端直径也是其主要因素,即偶丝越细,测量端直径越小,其热响应时间越短。测温元件热响应误差可通过下式确定 [1]。
         Δθ=Δθ0exp(-t/τ)                                 (2—1)
         式中 t—测量时间  S,
         Δθ—在 t  时刻,测温元件引起的误差,K或℃
         Δθ0—“t=0” 时刻,测温元件引起的误差,K或℃
         τ—时间常数 S
         e —自然对数的底(2.718)
        因此,当t=τ时,则Δθ=Δθ0/e   即为0.368,
        如果当t=2τ时,则Δθ=Δθ0/e2  即为0.135。
        当被测对象的温度℃/s)上升或下降时,经过足够的时间后,所产生的响应误差可用下式表示:,以一定的速度α(k/s或
        Δθ∞=-ατ                                          (2—2)
        式中   Δθ∞—经过足够时间后,测温元件引起的误差。

        由式(2—2)可以看出,响应误差与时间常数(τ)成正比。为了提高检定效率许多企业采用自动检定装置,对入厂热电偶进行检定,但是,该装置也并非十分完善。二汽变速箱厂热处理车间就发现如果在400℃点的恒温时间不够,达不到热平衡,就容易发生误判。


2.3热辐射的影响
        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,两者交换的辐射能为P,可用下式表示:
        P=σε(Tw4 - Tt4  )                             (2—3)
        式中  σ—斯忒藩—波尔兹常数
        ε—发射率
        Tt—热电偶的温度 , K
        Tw—炉壁的温度 ,  K
        在单位时间内,热电偶同周围的气体(温度为T),通过对流及热传导也将发生热量交换的能量为P′
        P′=αA(T-Tt)                                (2—4)
        式中 α—热导率
        A— 热电偶的表面积
        在正常状态下,P= P′,其误差为:
        Tt-T=σε(Tt4-Tw4)/αА                          (2—5)
        对于单位面积而言其误差为
        Tt-T=σε(Tt4-Tw4)/α                           (2—6)
        因此,为了减少热辐射误差,应增大热传导,并使炉壁温度Tw ,尽可能接近热电偶的温度Tt。另外,在安装时还应注意:
        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。


2.4热阻抗增加的影响
        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,不仅增加了热电偶的响应时间,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,经常抽检也是必要的。例如,进口铜熔炼炉,不仅安<

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