熱電偶測(cè)量注意事項(xiàng)

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(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),。

3．1 熱電偶絲不均質(zhì)影響
（1）熱電偶材質(zhì)本身不均質(zhì)
熱電偶在計(jì)量室檢定時(shí),，按規(guī)程要求，插入檢定爐內(nèi)的深度只有300mm,。因此每支熱電偶的檢定結(jié)果,，確切的說只能體現(xiàn)或主要體現(xiàn)出從測(cè)量端開始300mm長(zhǎng)偶絲的熱電行為，然而,，當(dāng)熱電偶的長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí),，則大部分偶絲處于高溫區(qū)，如果熱電偶絲是均質(zhì)的,，那么依據(jù)均質(zhì)回路定則,，測(cè)量結(jié)果與長(zhǎng)度無關(guān)。然而,，熱電偶絲并非均質(zhì),，尤其是廉金屬熱電偶絲其均質(zhì)性較差，又處于具有溫度梯度的場(chǎng)合,，那么其局部將產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì),，該電動(dòng)勢(shì)稱為寄生電勢(shì)。由寄生電勢(shì)引起的誤差稱為不均質(zhì)誤差,。
在現(xiàn)有的貴金屬,、廉金屬熱電偶檢定規(guī)程中，對(duì)熱電偶的不均質(zhì)尚未作出規(guī)定,，只有在熱電偶絲材標(biāo)準(zhǔn)中,，對(duì)熱電偶絲的不均勻性有一定要求。對(duì)廉金屬熱電偶采用首尾檢定法求出不均勻熱電動(dòng)勢(shì)。正規(guī)熱電偶絲材生產(chǎn)廠,，均按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求,，生產(chǎn)出不均勻熱電動(dòng)勢(shì)符合要求的產(chǎn)品。
（2）熱電偶絲經(jīng)使用后產(chǎn)生的不均質(zhì)
對(duì)于新制的熱電偶,，即使是不均勻熱電動(dòng)勢(shì)能滿足要求,，但是，反復(fù)加工,、彎曲致使熱電偶產(chǎn)生加工畸變,，也將失去均質(zhì)性，而且使用中熱電偶長(zhǎng)期處于高溫下也會(huì)因偶絲的劣化而引起熱電動(dòng)勢(shì)變化,，例如：插入工業(yè)爐中的熱電偶,，將沿偶絲長(zhǎng)度方向發(fā)生劣化，并隨溫度增高,，劣化增強(qiáng),，當(dāng)劣化的部分處于具有溫度梯度的場(chǎng)所，也將產(chǎn)生寄生電動(dòng)勢(shì)疊加在總熱電動(dòng)勢(shì)中而出現(xiàn)測(cè)量誤差,。
作者在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)有的熱電偶經(jīng)計(jì)量部門檢定合格的產(chǎn)品（多為廉金屬熱電偶）到現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)卻不合格。再返回到計(jì)量部門檢定仍然合格,，其中主要原因就是偶絲不均質(zhì)引起的,。生產(chǎn)熱電偶的技術(shù)人員都切身體會(huì)到，熱電偶的不合格率也隨其長(zhǎng)度的增加而增加,。皆是受熱電偶絲材不均質(zhì)的影響,。總之,，由不均質(zhì)即寄生電動(dòng)勢(shì)引起的誤差,，取決于熱電偶絲自身的不均質(zhì)程度及溫度梯度的大小，對(duì)其定量極其困難,。

3.2 鎧裝熱電偶的分流誤差
（1）分流誤差
瓦軸集團(tuán)滲碳爐用鎧裝熱電偶,，僅使用一周就不準(zhǔn)了。為探討原因,，作者曾到現(xiàn)場(chǎng)考察,，但未發(fā)現(xiàn)異常，只好從爐子上取下來經(jīng)計(jì)量室檢定結(jié)果合格,。那么問題何在呢,？zui后，根據(jù)該支熱電偶的現(xiàn)場(chǎng)安裝特點(diǎn),，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),，上述問題是鎧裝熱電偶的分流誤差造成的。
所謂分流誤差即用鎧裝熱電偶測(cè)量爐溫時(shí)，當(dāng)熱電偶中間部位有超過800°C的溫度分布存在時(shí),因其絕緣電阻下降,，熱電偶示值出現(xiàn)異常的現(xiàn)象,，稱為分流誤差。依據(jù)均質(zhì)回路定則,，用熱電偶測(cè)溫只與測(cè)量端與參考端兩端溫度有關(guān),，與中間溫度分布無關(guān)?？墒怯捎阪z裝熱電偶的絕緣物是粉末狀MgO,，溫度每升高100°C，其絕緣電阻下降一個(gè)數(shù)量級(jí),，當(dāng)中間部位溫度較高時(shí),，必定有漏電流產(chǎn)生，致使在熱電偶輸出電勢(shì)中有分流誤差出現(xiàn),。
（2）分流誤差產(chǎn)生的條件
將鎧裝熱電偶水平插入爐內(nèi),，其規(guī)格及實(shí)驗(yàn)條件為：直徑ф4.8mm,長(zhǎng)度為25m,中間部位加熱帶的長(zhǎng)度為20m，溫度為1000℃,。本次實(shí)驗(yàn)中,，熱電偶的測(cè)量端與中間部位的溫差為200℃。如果測(cè)量端溫度高于中間部位,，則產(chǎn)生負(fù)誤差,；相反，則產(chǎn)生正誤差,。如果兩者的溫差為200℃,，那么，分流誤差約為100℃,。這是不能忽視的,，分流誤差的產(chǎn)生條件與鎧裝熱電偶種類和直徑等因素有關(guān)[2]，見表1,。

3.3分流誤差的影響因素及對(duì)策
高溫下鎧裝熱電偶產(chǎn)生分流誤差的現(xiàn)象,，正在引起人們的重視，因此有必要了解分流誤差的影響因素,，并采取適當(dāng)對(duì)策以減少或消除分流誤差的影響,。
（1）鎧裝熱電偶直徑
對(duì)于長(zhǎng)度為9米的K型鎧裝熱電偶（MgO絕緣），只將熱電偶中間部位加熱,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：分流誤差的大小與其直徑的平方根成反比（直徑過細(xì),，不遵守此規(guī)律），即直徑越細(xì),，分流誤差越大,。
當(dāng)中間部位溫度高于800℃時(shí)，對(duì)于ф3.2mm鎧裝熱電偶將產(chǎn)生分流誤差。但對(duì)于ф6.4mm及ф8mm鎧裝熱電偶,，當(dāng)中間部位的溫度為900℃時(shí),，仍未發(fā)現(xiàn)分流誤差。對(duì)于ф6.4mm（熱電極絲直徑為ф1.4mm）與ф8mm（熱電極絲直徑為ф2.0mm）的鎧裝熱電偶,，當(dāng)中間部位溫度為1100℃時(shí),，直徑為ф8mm的鎧裝熱電偶產(chǎn)生的分流誤差僅為ф6.4mm的一半。此數(shù)值（50%）近視于兩種鎧裝熱電偶電極絲直徑的平方比（1.42/2.02 ） ,而電極絲直徑平方比,即為電極絲的電阻比,。因此,，為了減少分流誤差，應(yīng)盡可能選用粗直徑的鎧裝熱電偶,。
（2）中間部位的溫度
如果中間部位的溫度超過800℃,，有可能產(chǎn)生分流誤差，其大小將隨溫度的升高,，呈指數(shù)關(guān)系增大,。因此，除測(cè)量端外,，其它部位應(yīng)盡可能避免超過800℃,。
1）中間部位加熱帶長(zhǎng)度及位置
當(dāng)中間部位加熱帶溫度高于800℃時(shí)，其加熱帶的長(zhǎng)度越長(zhǎng),，距離測(cè)量端越遠(yuǎn),，分流誤差越大。因此,，應(yīng)盡可能縮短加熱帶長(zhǎng)度 ，并且,，不要在遠(yuǎn)離測(cè)量端處加熱,，以減少分流誤差。
（3）熱電偶絲的電阻
當(dāng)鎧裝熱電偶的直徑相同時(shí),，分流誤差將隨熱電偶絲的電阻增大而增加,。因此， 采用電阻小的熱電偶絲更好,。例如：直徑相同的S型鎧裝熱電偶同K型熱電偶相比,，其分流誤差減少40%。因此,，可采用S型熱電偶測(cè)量爐內(nèi)溫場(chǎng)分布,，費(fèi)用雖高，但較準(zhǔn)確,。
（4） 絕緣電阻
高溫下氧化物的電阻率將隨溫度的升高呈指數(shù)降低,分流誤差的大小主要取決于高溫部分的絕緣性能,絕緣電阻越低,越容易產(chǎn)生分流誤差,。當(dāng)絕緣電阻增加10倍或減少至1/10時(shí)，其分流誤差也隨之減少至1/10或增大10倍。為了減少分流誤差,，應(yīng)盡可能采用直徑粗的鎧裝熱電偶,，增加絕緣層厚度。如果上述措施無效時(shí),，只好采用裝配式熱電偶,。

3.4 短程有序結(jié)構(gòu)變化（K狀態(tài)）的影響
K型熱電偶在250℃—600℃溫度范圍內(nèi)使用時(shí)，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(shì)值而產(chǎn)生誤差，這就是所謂的K狀態(tài)[3],。它是Ni—Cr合金*的晶格變化,，當(dāng)Cr含量在5—30%范圍內(nèi)存在著原子晶格的有序 無序轉(zhuǎn)變。由此而引起的誤差,，因Cr含量及溫度的不同而變化,。將K型熱電偶從300℃加熱至800℃，每50℃取一點(diǎn),，測(cè)量該點(diǎn)電勢(shì),。在450℃時(shí)偏差zui大可達(dá)4℃，在350—600℃范圍內(nèi),，均為正偏差,。由于K狀態(tài)的存在，使K型熱電偶在升溫或降溫檢定結(jié)果不一致,，故在廉金屬熱電偶檢定規(guī)程中明文規(guī)定檢定順序：由低溫向高溫逐點(diǎn)升溫檢定,。而且在400℃檢定點(diǎn)，不僅傳熱效果不佳,，難以達(dá)到熱平衡,，而且，又恰好處于K狀態(tài)誤差zui大范圍,。因此,，對(duì)該點(diǎn)判定合格與否時(shí)應(yīng)很慎重。
Ni—Cr合金短程有序結(jié)構(gòu)變化的現(xiàn)象,，不僅存在于K型,，而且，在E型熱電偶正極中也有此現(xiàn)象,。但是,，作為變化量E型熱電偶僅為K型的2/3?？傊?，K狀態(tài)與溫度,、時(shí)間有關(guān)，當(dāng)溫度分布或熱電偶位置變化時(shí),，其偏差也會(huì)發(fā)生很大變化,。故難以對(duì)偏差大小作出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。