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热电偶温度计量的误差原因分析
点击次数:522 发布时间:2016-04-11

  热电偶是工业上使用zui广泛的感温元件之一, 相对其他温度传感器器件而言, 热电偶具有结构简单、使用方便、测温范围广和性价比高等优势。但就目前应用而言,热电偶受一定的外界因素影响,极易造成误差,因此需要了解热电偶的工作过程,深入分析热电偶温度计量的误差原因。
1、热电偶测温的原理简述
  热电偶温度计主要有感温元件和外部保护装置组成, 其中感温元件是由两种不同材质的导体或者半导体构成, 两种材料通过焊接形成一个闭合的回路。 当二者之间的执着点之间出现了温差 ,二者就会出现电动势 ,这个电动势会在整个回路形成一个电流,这种现象被称为热电效应。 根据热电效应, 将感温元件产生的电流通过电气仪表作用转换为被测介质的温度,这就是热电偶温度计的主要工作原理。
2、热电偶温度计量误差的主要因素
2.1 热电偶热电特性不稳定所引起的误差
  热电偶温度计经过一段时间使用, 受其使用的环境影响, 其本身的热电性能将会产生一定的变化, 则该热电偶温度计计量得到的温度与真实温度有一定的偏离。 影响热电偶稳定性的主要因素有:(1)被测物对热电偶电极的污染和腐蚀;(2)热电极受外力作用而产生的变形所引起的形变应力; (3)感温电极在高温下微观结构晶粒发生变化;(4)热电极受暴露在空气中发生氧化等。
2.2 热电偶不均匀性的影响
  热电偶的均匀性是指热电偶热电极材料的均匀程度。 如果热电偶中的两个热电极材料是均匀的, 则热电偶回路产生的热电势和两端温度差呈正相关, 而与沿热电极长度的温度梯度无关。
2.3 测量温度点的选择
  选择合适的测温点是安装热电偶时十分重要的考虑因素, 选择具有代表性的测温点, 对于整个生产环境具有特殊的意义。位置选择不当,则控制和计量将毫无意义。在测量点,热电偶插入的深度也对温度测量产生影响, 当外部环境和被测物温度存在温度差时, 热电偶上测量的温度会随着传感器的延长而与外界环境产生热交换, 继而带来计量误差。 由于环境温度千变万化,这种温度误差是不可估量的。除了由于插入深浅发生热传导引入的误差以外,热电偶外部保护管材质也会引入测量误差。例如金属材质的保护管,其导热性能较好,因此在测量过程中需要将其插入更深以避免热量损失。 对于陶瓷材质的保护管, 则需要将其插入浅一些。
2.4 响应时间的影响
  只有被测对象和测温元件温度一致时, 测温元件的温度才能稳定, 此时二者达到热平衡,这是接触法测温的基本原理。 被测对象和测温元件温度达到一致需要一定时间来实现, 该时间的长短,主要由测温元件的热响应性能决定,即热响应时间。热响应时间受传感器的结构和计量条件影响,通过实验,不同条件下的响应时间差别很大。静止的气态介质,两者需要持续接触 30 分钟以上才能达到温度平衡,如静态的液体,温度平衡时间将缩短到 5 分钟。
在实际工程应用中,被测对象的温度经常是处于不断变化的状态,瞬间变化的时间很短,因此对传感器的要求也相对较高,一般要求其响应能力为 ms 级别。如响应能力不足,则出现测量滞后现象。 因此选择传感器要选择响应速度快的。 计量端直径是影响响应速度的重要因素。如果偶丝较细,则响应时间较短。
2.5 热辐射的影响
  当用热电偶测量炉中温度时, 炉内高温物体对热电偶的热辐射, 会引起热电偶温度升高。如果炉内的气体假定为透明的 , 热电偶和炉壁之间的温差比较大时 , 那么能量交换之后也会带来测温方面的误差。 增加热传导能够有效的降低这部分误差, 让炉壁的温度和热电偶温度接近。
2.6 热阻抗增加的影响
  当热电偶处于高温的工况环境下, 气态被测介质会将保护管表层灰尘烧熔, 引起保护管热阻抗增加。 如果介质是熔体 , 那么在操作中会出现炉渣的沉淀 沉淀的炉渣会增加热电偶响应时间,指示温度方面会变低。因此定期检查或不定时的抽检热电偶的工作状态,能够及时的发现热电偶产生的异常,减少测量误差。
2.7 热电偶丝不均质引起误差
  根据上述测量原理,当热电偶的偶丝均质时,根据均质回路定则,长度对计量的结果没有影响。而实际情况是,厂家在进行偶丝生产时,通常会因为温度等原因 ,导致偶丝粗细不均,呈竹节状,甚至出现严重的打卷现象。另外在后期的加工中会出现其他问题,对热电偶进行的反复加工,会让热电偶出现畸变从而失去均质。在进行测温工作时,很多偶丝位于高温区,如果不具备均值性,且环境温度变化 ,那么热电偶局部就会出现寄生热电动势,从而引入误差。
  从热电偶的基本工作原理、 具体的使用方法和生产制作过程中存在的问题等方面进行深入分析,得到了热电偶温度计量产生误差的主要原因,在热电偶的制作和使用中,传感器插入位置与深浅、热电偶对温度的响应时间、环境对热电偶的热辐射、热阻抗改变、热电偶丝不均质等都是产生计量误差的主要因素, 因此提升温度计量的准确度要从上述因素中减小和避免。分析热电偶温度计量的误差原因,对实际工程应用具有一定的指导意义。

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