熱電偶測(cè)量誤差及其注意事項(xiàng)
摘要: 熱電偶是一種最簡(jiǎn)單﹑最普通的溫度傳感器。可是如果在使用中不注意,也會(huì)引起較大測(cè)量誤差。針對(duì)當(dāng)前存在的問(wèn)題,詳細(xì)探討影響測(cè)量誤差的主要因素:熱電偶插入深度﹑響應(yīng)時(shí)間﹑熱輻射及熱阻抗等,指出熱電偶絲不均質(zhì)﹑鎧裝熱電偶分流誤差﹑K型熱電偶的選擇性氧化﹑K狀態(tài)﹑使用氣氛﹑絕緣電阻及熱電偶劣化等在使用中應(yīng)注意事項(xiàng)。對(duì)提高測(cè)量精度,延長(zhǎng)熱電偶?jí)勖?,有一定幫助?/font>
關(guān)鍵詞:測(cè)量誤差; 注意事項(xiàng);分流誤差; K狀態(tài); 熱電偶劣化
1. 前言
在現(xiàn)有的測(cè)溫系統(tǒng)中,最常用的溫度傳感器—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(wèn)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(zhǎng)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)的選擇是最重要的。測(cè)溫點(diǎn)的位置,對(duì)于生產(chǎn)工藝過(guò)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(zhǎng)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??傊?,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(zhǎng)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,最快也要在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(guò)程,全過(guò)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。最好選擇響應(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(guò)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℃/s)上升或下降時(shí),經(jīng)過(guò)足夠的時(shí)間后,所產(chǎn)生的響應(yīng)誤差可用下式表示:,以一定的速度α(k/s或
Δθ∞=-ατ (2—2)
式中 Δθ∞—經(jīng)過(guò)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(guò)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 熱電偶最好帶有熱輻射遮蔽套。
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(guò)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<
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