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热电偶的测量误差及克服方法
点击次数:547 发布时间:2015-07-09

0.前言
随着科学技术的不断发展,热电偶已成为目前温度测量领域中应用zui广泛的感温元件之一。其主要优点是:测量温度范围广,可以在1K到2800℃广阔温域内进行测量;性能稳定、准确可靠;此外,还有结构简单、热惯性小、动态响应速度快、信号能够远距离传送和多点测量等优点。但在使用热电偶测量温度时,也与其它测量一样,会受到各种因素的影响,使测量结果存在一定误差。引起误差的主要原因有以下几方面。
1.分度误差
对于工业热电偶来说,分度误差就是热电偶的实际热电特性与统一分度表的偏差。热电偶的热电特性是随着它的成分、结晶结构及应力而变化的。即使相同型号的热电偶,其热电
势和温度关系也不可能完全一致。所以热电偶的实际热电势和温度关系与统一分度表是有偏差的。这个偏差对一般工业测量是满足需要的。若要求较高时,可采用校验的方法确定热
电偶的实际偏差并进行修正。
2.热电偶的不均匀性和不稳定性引起的误差
热电偶的不均匀性和不稳定性是由材料本身性能和生产工艺决定的,其影响因素为:
(1)热电极在使用中的氧化和挥发;
(2)热电极受外力而引起变形所产生的应力;
(3)高温下热电极晶粒长大以及环境对热电极的玷污和腐蚀等。
克服方法:
热电偶的热电动势稳定性试验应带保护管,它是将热电偶置于制造厂家规定的上限温度,维持250h,其热电势值变化量不应超过国家标准有关规定。
3.测量仪表的基本误差
该误差的大小由仪表的精度等级决定。克服方法:定期校验,保证仪表的基本误差不超过规定的允许范围。
4.补偿导线误差
补偿导线所产生的误差包括两种:一种是补偿导线与所配热电偶在规定的温度范围内热电特性不一致造成的。如果在使用中,补偿导线的工作温度超过规定的范围,则误差将超过规定数值。另一种是由于补偿导线与热电偶连接处的两个接点温度不一致所造成的。使用时应注意避免这项误差。
5.线路电阻引起的误差
用动圈式仪表测温时,从热电偶到动圈式仪表之间的线路总阻必须符合仪表的规定数值。如果不符合规定就会引起测量误差。若用补偿式仪表如电子电位差计测温时,线路电阻
过大会使仪表灵敏度降低,影响测量的准确性。
6.参考端温度变化引起的误差
热电偶回路中热电势的大小不仅与测量端温度有关,而且与参考端温度有关,因此必须使参考端温度恒定。通常规定参考端温度为0℃。然而,实际测量中,参考端温度都是随所处的环境温度而变化的,很难保持恒定,保持在0℃就更困难。因此,必须采取措施,消除参考端温度变化所产生的误差。常用的参考端温度处理方法有:
(1)0℃恒温器法
(2)热电偶参考端温度恒定但不等于0℃时的处理方法
①计算法(电势修正法)
②调整仪表机械零点法
(3)热电偶参考端温度波动,且不等于0℃时的处理方法
①补偿导线法
②参考端温度补偿器
7.热交换引起的误差
利用热电偶测温时,测量仪表所指示的温度实质上是热电偶测量端的温度。通常认为这就是被测介质的温度。然而,在实际测温中,存在着复杂的热交换过程。例如当被测介质温度高于环境温度时,介质把热量传给热电偶,而热电偶又由于热辐射和热传导的作用把热量传给周围环境(包括介质容器的内壁和容器外的环境),使得热电偶测量端的温度无论如何也达不到被测介质的温度,所以测量端的温度并不与被测介质温度完全一致,即产生测量误差。被测介质与周围环境的温度相差越大,这个误差就越大。它主要是热电偶对周围环境的
辐射散热和导热散热所造成的。克服方法基本上有两种:一是确定传热误差的大小,并进行修正;二是采取措施,使传热误差减小到允许范围内。
为了减少辐射误差,可采取如下措施:
(1)在管壁外表面敷设绝热层,减小管壁与被测介质的温差。
(2)尽量减小保护管的外径以及保护管、热电极的黑度(辐射)系数。
(3)在热电偶和管壁间加装防辐射罩,以减小热电偶与管壁之间的直接辐射。
(4)增加被测介质流经热电偶测量端的流速,以增加被测介质和热电偶之间的对流传热。
为了减小导热误差,可采取以下措施:
(1)增加热电偶的插入深度,减小露在管壁外面的长度。
(2)减小保护管的直径和壁厚。
(3)采用导热系数小的保护管。这样可减小导热误差,但是会增加热惯性使动态误差增加,因此要适当处理。
(4)在管道和热电偶支座外面包上绝热材料(如石棉、玻璃纤维等),以减小保护管两端的温差。
8.动态误差
当被测介质温度变化后,由于热电偶惯性和仪表的机械惯性,使测量仪表来不及立即指示出变化了的温度,因此引起测量误差,称为动态误差。
一般在温度稳定或变化很慢的对象上测量温度时,动态误差很小,但对温度变化很快的对象,动态误差就会增大,通常用时间常数来表征热电偶响应速度的快慢,时间常数越小,响应越快,动态误差就越小。因此,时间常数的大小是决定动态误差的主要因素。
减小动态误差,常用以下方法:
(1)尽量缩小热电偶测量端的尺寸,并使体积与面积之比尽可能小,以减小测量端的热容量,提高响应速度。
(2)采用导热性能好的材料做保护管,管壁要薄,内径要小。
(3)减小保护管与热电偶测量端之间的空气间隙或填充传热性能好的其它材料。
(4)增加测量端介质的流速,加快对流传热。
9.绝缘不良引起的误差
热电偶之间必须有良好的绝缘,否则将有热电势损耗而引入误差,甚至无法测量。为了保证测温准确、可靠,通常规定热电极与绝缘管、保护管之间有一定的绝缘电阻值。
为减小绝缘不良所引起的误差,常用以下办法:
(1)根据热电偶的zui高使用温度选择合适的绝缘材料,保证在整个测温范围内都能有足够的绝缘电阻。
(2)应防止绝缘材料受潮,使绝缘电阻下降。
10.干扰引起的误差
在高温下,由于热电偶绝缘材料及加热炉的耐火砖绝缘性能的降低,使加热炉的电源经发热体、炉砖、热电偶保护管及绝缘材料泄漏到热电极上,造成漏电干扰。若在热电偶测量回路附近有大功率电动机、变压器、强电流导线时,就会产生较强的交变磁场、高压电场或较大的地电流,它们在热电偶测量回路中将产生附加电动势,造成测量误差,严重时甚至无法测量。
干扰通常分为线间干扰和对地干扰。其大小可用晶体管电压表进行测量。在一般情况下,线间干扰电压可达几毫伏到几十毫伏,对地干扰可达几伏甚至一百伏。
常用的抗干扰措施有以下几种:
(1)把热电偶的引线穿在铁管内,并将铁管接地。如果把热电偶引线绞起来,效果更好。
(2)把热电偶悬空,热电偶不与炉壁的耐火砖接触,这种方法适用于垂直安装(见图1)。若水平安装,保护管易变形。由于热电偶插入孔扩大,增加热量损失,使测量误差增大。

(3)把参考端接地,在热电偶(或补偿导线)输出端的一端,通过一个容量足够大的电容接地(见图2)。

(4)使热电偶测量端接地,从热电偶测量端引出一根金属丝直接接地(见图3)。由于高温漏电往往产生在热电偶测量端附近,故测量端接地消除干扰效果明显。选用的金属丝应耐高温,对热电极不产生有害作用,如铂铑系热电偶可用铂丝。这种方法在检定热电偶时应用较多。

(5)用屏蔽的方法,可使泄漏电流经过金属屏蔽物直接接地,不再流入测量回路,从而消除干扰误差。

图4(a)是在测量端附近加装耐热金属套或缠绕金属丝,经导线与地相接。这种方法消除交流干扰效果显著。
图4(b)是将耐热合金丝直接缠绕在管形电炉的内管上,引出后接地。这种方法简便实用。

双支热电偶 吹气热电偶 K型热电偶 铂铑热电偶

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