熱電偶測溫誤差的來源與處理

摘要:熱電偶廣泛應用于溫度測量的各個環(huán)節(jié),然而其自身特性與生產(chǎn)環(huán)節(jié)對其測量結(jié)果有顯著的影響,可能造成測量誤差。一方面，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看,偶絲不可避免地存在應力及品格的不均勻性。另一方面，從熱電偶的生產(chǎn)過程來看,工序和環(huán)境氛圍會直接影響熱電偶的性質(zhì)。依據(jù)這一思路,從認識熱電偶的性能和使用方法上著手，囊括了從熱電偶本身性能到實施環(huán)境的全操作環(huán)節(jié),對測溫誤差的來源進行了剖析,并提出了具有針對性的處理方法。目的在于通過把熱學理論與實踐操作相結(jié)合,得到縮小測量誤差的方法論，針對可能的原因進行排查,便于構(gòu)建整個實施加復查的測量環(huán)節(jié),提升輸出結(jié)果和合格性判斷的可信性，同時提高測量水平和測量準確性。
　　熱電偶作為一種常見的熱電式傳感器,在溫度測量環(huán)節(jié)中得到了廣泛的應用。熱電偶主要的工作機理.建立在熱電效應的基礎(chǔ).上，通過將溫度變化轉(zhuǎn)化為電勢的變化進行測量。在實際工作中,由于熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、測量方便等優(yōu)點，該方法成為了測量校驗中的重要環(huán)節(jié)。然而，由于熱電偶本身的性質(zhì)和操作環(huán)節(jié)中的潛在風險，熱電偶的測量可能存在系列誤差，直接影響到結(jié)果的輸出和合格性的判斷”。因此，探索熱電偶測量結(jié)果的影響因素,利于進一步挖掘熱電偶測量誤差產(chǎn)生的原因，并針對可能的原因進行排查和校準，有助于完善整個測量環(huán)節(jié),提升工作效率，同時提高測量水平和測量準確性。
　　對熱電偶穩(wěn)定性的排查和對誤差產(chǎn)生原因的解讀,需要建立在理論的基礎(chǔ)_上,通過與實踐經(jīng)驗的結(jié)合,得到縮小誤差的方法結(jié)論'。依據(jù)這一思路,從認識熱電偶的性能和使用方法上著手，分別從熱電偶的熱電特性、參考端的溫度,以及操作測量系統(tǒng)三個角度,探討了可能造成測量誤差的潛在因素,以及具有針對性的處理方法。
1熱電特性不穩(wěn)定的影響
　　熱電偶在使用過一段時間后，熱電特性將會明顯發(fā)生改變,主要表現(xiàn)為熱電偶的分度值隨使用時間和使用條件的不同而發(fā)生變化。當變化顯著且超出了規(guī)定的范圍時，測出的溫度將遠遠偏離真實溫度,從而影響工藝過程中的溫度控制和產(chǎn)品質(zhì)量,嚴重時還會造成產(chǎn)品不合格和加熱設(shè)備的損壞。因此,熱電偶的穩(wěn)定性和均勻性就是熱電偶熱電特件相對穩(wěn)定程度的一個重要指標，而它的變化就是造成實際工作中測溫不準確的主要因素。
1.1不均勻性的影響
　　熱電偶的“不均勻電勢”會直接影響測溫結(jié)果。熱電偶的均勻性是指熱電偶的極材料的均勻程度。熱電偶兩熱電極若是均勻的，由相關(guān)理論可知，其熱電勢與兩端點的溫度有關(guān)，而與熱電極長度的溫度分布無關(guān)。若兩熱電極的材料不均勻，而熱電極又處于溫度梯度場中,則熱電偶會產(chǎn)生一個附加熱電勢,即“不均勻電勢”,這個不均勻電勢將會影響熱電偶回路的總.熱電勢。所以說“不均勻電勢”的存在會使熱電偶的熱電特性發(fā)生改變,從而降低了測溫的準確性。
　　可以通過簡單的架構(gòu)進行熱電偶測溫誤差的定量計算。不均勻的熱電極可以看作是微小的異質(zhì)金屬元件的集合，每段元件是由化學成分不同的均勻的金屬元件(如圖1所示)A1,A2,A3,.,Ai及B1,B2,B3,.,Bi;結(jié)合構(gòu)成的熱電偶回路。沿著各元件具有的溫度梯度,在各個金屬元件間接合點上的溫度分別為T1,T2,n+1。
 
　　根據(jù)標準電極N的方法，可以求得電路中發(fā)生的全部溫差熱電勢E,即回路的總電勢E'(如式1)。假設(shè)A,B是均質(zhì)導體制成的熱電偶，可得其回路總電動勢(如式2)。兩者之差即為不均勻?qū)w組成的熱電偶回路產(chǎn)生的測溫誤差(如式3)。由于熱電極材料A和A,Bi，和B很接近，它們對應各部分的塞貝克系數(shù)SAIA和SBIB可以近似地認為是線性的,因此測溫誤差可以進一步化簡(如式4)。從理論推演可知，不均勻的熱電偶可能存在重大的測量誤差。而在具體工作中,所使用熱電偶的不均勻電勢引起的附加誤差更為明顯，有時高達30℃之多。這將嚴重地影響熱電偶的穩(wěn)定性和互換性,并直接影響溫度量值傳遞的一致性。
 
1.2不均勻性的產(chǎn)生原因
　　造成熱電極不均性的原因很多，主要可以分為化學成分和物理狀態(tài)兩個方面田。一方面,化學成分表現(xiàn)為:①雜質(zhì)分布不均勻和成分的偏析。此原因無法避免,而且遍及熱電極的整個長度。②熱電極表面局部的金屬揮發(fā)和氧化。③熱電極中某些元素的選擇性氧化。④測量端長期在高溫下的熱擴散,改變了測量端附近的化學成分。⑤環(huán)境氣氛、絕緣材料和保護管材料對熱電極局部的沾污和腐蝕。另一方面，物理狀態(tài)表現(xiàn)為:①應力分布的不均勻使熱電極沿長度出現(xiàn)的熱電特性不一致。②晶體結(jié)構(gòu)的不均勻，熱電極的晶粒大小對熱電特性也會有影響。其中較為重要的3點進行著重闡述。
1.2.1玷污
　　偶絲材料往往容易受到環(huán)境氣氛或保護管雜質(zhì)的玷污,這是造成熱電偶示值不穩(wěn)定的主要因素之一。不同程度的玷污所產(chǎn)生的附加電勢也不同，這種附加.電勢將改變原來的分度特性。具體而言,對于鉑銠10-鉑熱電偶，在使用的陶瓷套管中含有鐵的雜質(zhì)，高溫狀態(tài)下,銠絲受鐵玷污后，其熱電特性將受到影響。而當在含硅的偶絲在高溫還原性氣氛中使用時，由于硅被還原成自由硅而與鉑銠絲化合成為鉑硅化合物，會造成偶絲變脆。檢定標準熱電偶所用的絕緣瓷管都要求用王水清洗，高溫烘烤井規(guī)定正負極的穿孔極性，在某種程度上可以控制這一偏誤的產(chǎn)生。但若在工作中把熱電極的極性穿錯,原來穿鉑銠孔中的鉑會向鉑極滲透而改變標準熱電偶的熱電特性，從而影響熱電偶的穩(wěn)定性。
1.2.2氧化和還原
　　偶絲氧化也是造成熱電偶不穩(wěn)定性的一大重要原因,例如,常用的鎳鉻-鎳硅、銅-康銅等熱電偶都能與氯發(fā)生化學反應。同時，氧化造成的不穩(wěn)定影響還可能存在程度上的差別，這主要是由熱電極的不同性質(zhì)導致的。具體而言，如果熱電極被均勻氧化,那么氧化過程的影響對整體不均勻性的負面作用則相對有限。而如果熱電極具有擇優(yōu)氧化的性質(zhì)，則氧化過程將會直接影響偶絲的作用，例如，在低氧分壓中，鎳鉻電極中的鉻將產(chǎn)生擇優(yōu)氧化，偶絲的組合成分將會發(fā)生改變，直接影響到偶絲的作用。
1.2.3高溫與脆化
　　偶絲熱電極在高溫下的揮發(fā)也是造成測量誤差的一大原因。熱電偶的偶絲材料多數(shù)是合金材料，而由于各組材料的蒸氣壓不同，所以揮發(fā)的程度也不同。當熱電極在高溫下使用一段時間，揮發(fā)程度的差異將直接導致合金成分比例的改變,進一步造成熱電勢產(chǎn)生明顯變化。
　　與此同時，脆化的問題相伴而生。脆化是造成熱電偶報廢的最普通的因素。主要是由玷污、晶粒生長、氧化和長期體用于高溫下再結(jié)晶等多種因素導致的。換而言之，以上提到的諸多造成偶絲不均勻、不穩(wěn)定的因素，都可能直接或間接造成偶絲的脆化，影響電偶使用的生命周期。
　　總而言之，從熱電偶的生產(chǎn)過程來看,偶絲需要經(jīng)過多道縮徑拉伸,這一工序會使其表面受到玷污。物理狀態(tài)的不一致性對偶絲的塞貝克系數(shù)有影響，從而影響了熱電偶示值的穩(wěn)定性。具體到工作中,一支退火不合格或未經(jīng)退火的熱電偶被用來測溫，所造成的誤差可達十分之幾度到幾度，其準確性十分存疑。這也是在實際工作中熱電偶必須退火的主要原因。退火的過程可以改善組織結(jié)構(gòu),細化品粒，提高機械性能，消除內(nèi)應力，并可使產(chǎn)生的組織不均勻得到一-定程度.的改善。
2參考端溫度的影響
　　參考端的溫度是影響測量結(jié)果的重要因素熱電偶熱電動勢的大小與熱電極材料、工作端的溫度直接相關(guān)。熱電偶的分度表和對應分度表刻度的溫度顯示儀表，都是以熱電偶參考端溫度等于0℃為條件的。換而言之，如果參考溫度不等于0℃,盡管被測溫度恒定不變,熱電勢也會隨著參考端溫度的變化而變化。
　　以上結(jié)論可以通過理論公式進行展現(xiàn)。設(shè)定被測溫度為t,參考溫度為t,，熱電勢為EAB，其變化大小可根據(jù)熱電偶的中間溫度定律求得(式5)。該式表示，當參考溫度tn>0℃時，熱電偶的熱電動勢減少了EAB(tn，t0)，因而將使測量儀表的示值下降。
 
　　在進行測溫時,熱電偶參考端溫度的不均勻同樣也會造成明顯的測溫誤差。根據(jù)中間導體定律，在熱電偶回路中，只要中間導體兩端溫度相同,那么接入中.間導體的過程應當對熱電偶回路的總電勢沒有影響。換而言之,當中間導體的兩端溫度不相同時,將存在引.入中間導體造成的誤差。
　　同樣可以通過理論推導說明這一問題。由式(6)~式(10)可知，由于電極B偏離T0度,使得電極B與連接導線C構(gòu)成新的熱電偶,其誤差熱電勢為EAB(T´0，T0)
 
　　具體而言，假設(shè)電極B為鉑極，連接導線C為銅導線,在檢定標準熱電偶時溫度相差0.1℃,誤差熱電勢將高達-0.7μV,對結(jié)果的影響十分顯著。因此，在堅定鎳鉻-鎳硅電偶時，參考端在空氣中散熱較大。而由于電爐的熱輻射，使得參考端溫度不均勻，從而容易造成較大的測溫誤差。因此，參考端溫度不等于0℃對被測溫度的準確性有十分重要的影響。在日常工作中，要使參考端溫度保特在相對準確的范圍，必須采取修正或補償措施。
3測量系統(tǒng)的影響
3.1動態(tài)響應誤差
　　動態(tài)響應誤差是指，熱電偶的熱惰性會造成示數(shù)過程中的動態(tài)誤差。由于熱電偶本身具有熱惰性,在熱電偶插入被測介質(zhì)后，不能立即指示出被測溫度。其示值將逐漸上升,一直到測量端吸熱并放熱達到動態(tài)平衡后才出現(xiàn)穩(wěn)定的示值。因此,在熱電偶插入后.到示值穩(wěn)定之前的整個不穩(wěn)定過程中,熱電偶的瞬時示值與穩(wěn)定后的示值顯然存在普偏誤差”。這時的結(jié)果除了有其他與穩(wěn)定性相關(guān)的誤差外，還存在由熱電偶熱惰性引入產(chǎn)生的偏差,這個誤差的存在使儀表.指示值落后于被測溫度的變化。
3.2熱電偶安裝位置的影響
　　熱電偶安裝位置不當或插入深度不對時，都不能反映爐內(nèi)的真實溫度。通常而言，熱電偶的最小插入深度一般應大于保護管外徑的810倍。但由于熱電偶的保護管與爐壁間的間隙未填充其他絕緣物質(zhì)，爐內(nèi)熱源溢出和爐外冷空氣進入，會使得爐內(nèi)的溫度不恒定。當熱電偶的參考端太靠近爐體時，參考端的溫度將會受到明顯影響，從而擴大已有的誤差。
3.3測量系統(tǒng)漏電的影響
　　絕緣不良是產(chǎn)生電流泄漏的主要原因，也是影響熱電偶測溫精度的核心因素之一。測量系統(tǒng)漏電能歪曲被測的熱電勢,使儀表顯示失真，甚至不能正常工作。具體而言，漏電引起的誤差表現(xiàn)在多個方面，其中最為主要的是高溫條件下絕緣體性能下降導致的高溫漏電。
　　在日常工作中,電測設(shè)備漏電也能影響工作電流旁路，使測量產(chǎn)生誤差,影響熱電勢測量漏電的原因主要來自被測系統(tǒng)的電爐。常用的加熱設(shè)備大多是阻性爐和感性爐,由于電氣加熱設(shè)備在高溫下的絕緣性能明顯降低,因而產(chǎn)生高溫漏電，形成干擾信號。熱電極絕緣瓷管的絕緣電阻較差,能使熱電流旁路、熱電偶的端電壓下降。具體而言，當溫度升到800℃以上時,其電阻率極大地降低,絕緣性能會顯著惡化。因此，高溫下絕緣問題造成的漏電，可能會對測量結(jié)果造成很大的影響,需要修正措施的適當干預。
4結(jié)束語
　　隨著工藝的發(fā)展與技術(shù)的提高,對熱電偶精度的要求也將隨之提升，控制和處理測量誤差愈發(fā)重[10]要。從理論和實踐兩個角度出發(fā)，對熱電偶自身的材料和性能，以及在日常測量操作中的環(huán)境氛圍.等方面,全面剖析了影響熱電偶測溫誤差的三方面因素。以備在實際工作中更好地預防和解決測量誤差的.問題，從而提升工作效率，確保熱電偶檢測過程的準確性，真正將理論知識落實到實踐工作層面。