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快速钨铼热电偶的测温误差
点击次数:408 发布时间:2015-08-18

  钢水测温是炼钢过程中控制材料成份和保证冶炼质量的关键环节。目前,我国用于钢水测温的元件主要有两大类:(1)铂铑系列;(2)钨铼系列。现每年全国共需钢水测温快速热电偶约15000万支。1990年以前,使用的几乎全是快速铂铑热电偶,自1990年起,由于钨铼热电偶材料生产工艺的逐渐稳定,产品性能的不断提高以及产品数量的扩大,快速钨铼热电偶在钢水测温中占据了一定的地位。经过十多年的技术提升及市场开发,目前,已进入稳步发展阶段,每年用量约在5000万支以上,达到同行业快速热电偶比例的三分之一。快速钨铼热电偶用于钢水测温,具有其它快速热电偶不可比拟的特点:(1)测成率高:由于钨铼丝熔点高达3180℃以上,机械强度高,在2000℃以下钢液中能有效经受钢水冲刷,其测成率明显高于铂铑热电偶。通常,快速铂铑热电偶在钢水中测成率为85%左右,而快速钨铼热电偶可达95%以上。(2)能测超高温:在熔炼高温合金及不锈钢时,吹氧末期温度可达2000℃,此时铂铑热电偶已无法测温,要进行准确的温度测定,钨铼热电偶就可发挥其潜能。(3)成本低:我国属铂铑贫乏国,现用铂铑原料80%以上依靠进口,价格极不稳定,上涨趋势严重。
与其相反,我国是钨铼富有国,资源丰富,价格稳定。每公斤相同规格热电偶丝材,钨铼价格为铂铑价格的3~4%。
快速钨铼热电偶与快速铂铑热电偶比较,有上述受到人们关注的特点,但是作为一种计量器具,其量值的准确性更为人们关注。在这方面,元件制作单位及使用单位与钨铼偶丝生产单位一直存在许多误解及分歧意见,为了便于元件制作单位及使用单位能全面认识钨铼热电偶在钢水测温方面的精度,本文就快速钨铼热电偶的测温误差进行了系统
分析
1 误差分析
1.1 热电偶的精度与允许偏差
热电偶的精度是指热电偶在温度测量中所能达到的测温准确程度,它是一个通用的概念,能表明不同热电偶之间的测温性能。热电偶的允许偏差是指某种热电偶按标准规定,允许偏离分度表的误差值,它是一个专用概念,仅能表明该种热电偶之间的相对测温性能。由于采用的分度方法及标准器的不同以及热电偶材料自身的特点,相同允差的两种热电偶其测量精度是不一定相同的,即允差为±0.25%t的S型热电偶与允差为±0.25%t的钨铼热电偶不能视同为精度相同。
1.2 快速钨铼热电偶丝的精度
(1)影响快速钨铼热电偶丝精度的因素
a.分度方法传递误差;b.分度时的操作误差;c.偶丝不均匀性误差;d.分度值与分度表偏差;e.短期稳定性误差(用作快速热电偶时,因时间极短此项可忽略)
(2)误差计算
应用极限误差表达式,各种误差造成的总误差为:

对于快速钨铼热电偶丝,钯丝熔化定点测试,传递误差为±3℃;分度时操作误差取两次分度允差的一半为±0.3℃;偶丝不均匀性误差:正极允差为±2.1℃,负极允差为±1.6;分度值偏差为σx,将各项代入(1)式得总误差为

设σx为0时,则σ=±4℃
表明,对于偏差为0的快速钨铼热电偶丝,其测温精度也只能达到±4℃,这是在分度点(1554.5℃)而言,如在内插区间(1554.5℃~1769℃),传递误差为±4℃,其总误差将达到±5.7℃。
设σx在分度点为±2℃(即±0.128%t),总误差为

设σx为±3.9℃(即±0.25%t),总误差为

从(3)式和(4)可知,对于快速钨铼热电偶丝,在其分度点,允差等级提高一倍,其精度只提高±1℃,表明热电偶的允差仅能部分影响热电偶的精度。在工业应用中±0.128%t允差等级与±0.25%t允差等级的快速钨铼热电偶丝,量值准确性并无明显差异。
按式(2)计算的各种允差钨铼偶丝,所产生的总误差如表1所示。
表中的各项数据,代表目前各钨铼热电偶丝材生产单位所标明的典型允差等级及分度条件。比较允差与总误差的数据,可知两者并非呈线性关系,关于这点下面还将作进一步讨论。

1.3 快速钨铼热电偶的精度
(1)影响快速钨铼热电偶精度的因素
a.偶丝精度;b.补偿点及补偿导线误差;c.二次仪表误差;d.元件装配误差。
(2)误差计算
快速钨铼热电偶总误差仍可用极限误差表达,即:

式中:σ1为偶丝误差,允差为±0.25%t等级偶丝,在1554.5℃时其值为±5.6℃,σ2为补偿点及补偿导线误差,按标准规定允差分别为±4℃,σ3为二次仪表误差,现用数字显示表一般为±0.2%t,在1554.5℃时为±3.1℃,σ4为装配误差,一般情况较小可忽略。允差为±0.25%t偶丝制成快速钨铼热电偶,在1554.5℃测温时总误差为:

允差为±0.128%t偶丝,在1554.5℃时误差为±4.5℃,制成的快速热电偶,在1554.5℃测温时总误差为

比较(6)式和(7)式进一步说明,快速钨铼热电偶的精度与偶丝允差的关系。同时表明,补偿点误差是影响快速钨铼热电偶的重要因素。
按式(2)及式(5)计算的各种允差的钨铼快速热电偶所产生的总误差如表2所示。

从表中偶丝允差与热电偶总误差的关系可知,尽管偶丝允差等级成倍变化,但热电偶的总误差变化却较小,说明:在实际应用中,用热电偶丝材允差值来代表热电偶的精度存在有较大的片面性,由此忽略了许多对精度有较大影响的其它误差源。因此,钨铼热电偶的精度要从构成该系统的各个因素方面进行全面分析,才能得出客观的正确结论。另外要说明的是表中总误差代表的是一种极限值,即在实际测温过程中可能达到的误差范围,并不一定每次都达到此值。
(3)补偿点误差分析
从前面分析可知,补偿点误差是影响快速钨铼热电偶的重要因素,如果不进行选择性选配,将严重降低热电偶的精度,但根据热电偶的中间温度定则,若补偿导线与热电偶丝选择得当,则补偿点还能提高热电偶丝的精度。

图1是快速钨铼热电偶测温回路示意图,其回路总的热电势为:

式中:T为热电偶测量端温度,Tn为偶丝与补偿导线连接点温度,T0为参考点温度。
从(10)式可知,如果确切地知道钨铼热电偶丝在T温度点及Tn温度点的热电势值,即EAB(T,T0)和EAB(Tn,T0),则可以调整补偿导线在Tn温度点的热电势值,即EA′B′(Tn,T0),使测温回路总的热电势值EABB′A′(T,Tn,T0)接近分度表中相应的标准值。
当钨铼热电偶丝在T温度点和Tn温度点的分度值均为正偏差,且在T温度点的分度值偏差大于在Tn温度点的分度值偏差时,若选择补偿导线在Tn温度点的分度值为合适的负偏差,则测温回路总的热电势值的偏差将减少,即提高了zui终测温精度。反之亦然。
通过对钨铼热电偶丝材及构成的快速热电偶回路误差计算分析,可以得出如下结论:
(1)钨铼热电偶的测温精度不能等同于热电偶丝材分度值的允差。
(2)在一定范围内,热电偶丝材允差等级的变化对实际构成的热电偶精度影响不大,二者变化关系呈非线性。
(3)快速钨铼热电偶的补偿点误差是影响测温精度的重要因素;补偿导线与偶丝选配正确,能提高zui终测温精度。

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