熱電偶測量誤差及其注意事項

熱電偶是一種*簡單﹑*普通的溫度傳感器。可是如果在使用中不注意，也會引起較大測量誤差。針對當前存在的問題，詳細探討影響測量誤差的主要因素：熱電偶插入深度﹑響應時間﹑熱輻射及熱阻抗等，指出熱電偶絲不均質(zhì)﹑鎧裝熱電偶分流誤差﹑K型熱電偶的選擇性氧化﹑K狀態(tài)﹑使用氣氛﹑絕緣電阻及熱電偶劣化等在使用中應注意事項。對提高測量精度，延長熱電偶壽命，有一定幫助。

1. 前言

在現(xiàn)有的測溫系統(tǒng)中，*常用的溫度傳感器—熱電偶，因其結(jié)構簡單，往往被誤認為“熱電偶兩根線，接上就完事”，其實并非如此。熱電偶的結(jié)構雖然簡單，但在使用中仍然會出現(xiàn)各種問題。例如：安裝或使用方法不當，將會引起較大的測量誤差，甚至檢定合格的熱電偶也會因操作不當，在使用時不合格，在滲碳等還原性氣氛中，如果不注意，K型熱電偶也會因選擇性氧化而超差。

為了提高測量精度，減少測量誤差，延長熱電偶使用壽命，要求使用者不僅應具備儀表方面的操作技能，而且還應具有物理、化學及材料等多方面知識。作者根據(jù)多年實踐，并參閱有關資料較詳細地介紹熱電偶的測量誤差及其注意事項。
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)
熱電偶在計量室檢定時，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)出從測量端開始300mm長偶絲的熱電行為，然而，當熱電偶的長度較長時，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，測量結(jié)果與長度無關。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合，那么其局部將產(chǎn)生熱電動勢，該電動勢稱為寄生電勢。由寄生電勢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，對熱電偶的不均質(zhì)尚未作出規(guī)定，只有在熱電偶絲材標準中，對熱電偶絲的不均勻性有一定要求。對廉金屬熱電偶采用首尾檢定法求出不均勻熱電動勢。正規(guī)熱電偶絲材生產(chǎn)廠，均按國家標準要求，生產(chǎn)出不均勻熱電動勢符合要求的產(chǎn)品。
（2）熱電偶絲經(jīng)使用后產(chǎn)生的不均質(zhì)
對于新制的熱電偶，即使是不均勻熱電動勢能滿足要求，但是，反復加工、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期處于高溫下也會因偶絲的劣化而引起熱電動勢變化，例如：插入工業(yè)爐中的熱電偶，將沿偶絲長度方向發(fā)生劣化，并隨溫度增高，劣化增強，當劣化的部分處于具有溫度梯度的場所，也將產(chǎn)生寄生電動勢疊加在總熱電動勢中而出現(xiàn)測量誤差。
作者在實踐中發(fā)現(xiàn)有的熱電偶經(jīng)計量部門檢定合格的產(chǎn)品（多為廉金屬熱電偶）到現(xiàn)場使用時卻不合格。再返回到計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)熱電偶的技術人員都切身體會到，熱電偶的不合格率也隨其長度的增加而增加。皆是受熱電偶絲材不均質(zhì)的影響。總之，由不均質(zhì)即寄生電動勢引起的誤差，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
瓦軸集團滲碳爐用鎧裝熱電偶，僅使用一周就不準了。為探討原因，作者曾到現(xiàn)場考察，但未發(fā)現(xiàn)異常，只好從爐子上取下來經(jīng)計量室檢定結(jié)果合格。那么問題何在呢？*后，根據(jù)該支熱電偶的現(xiàn)場安裝特點，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量爐溫時，當熱電偶中間部位有超過800°C的溫度分布存在時,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，用熱電偶測溫只與測量端與參考端兩端溫度有關，與中間溫度分布無關。可是由于鎧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數(shù)量級，當中間部位溫度較高時，必定有漏電流產(chǎn)生，致使在熱電偶輸出電勢中有分流誤差出現(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)格及實驗條件為：直徑ф4.8mm,長度為25m,中間部位加熱帶的長度為20m，溫度為1000℃。本次實驗中，熱電偶的測量端與中間部位的溫差為200℃。如果測量端溫度高于中間部位，則產(chǎn)生負誤差；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[2]，見表1。
3.3分流誤差的影響因素及對策
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，并采取適當對策以減少或消除分流誤差的影響。
（1）鎧裝熱電偶直徑
對于長度為9米的K型鎧裝熱電偶（MgO絕緣），只將熱電偶中間部位加熱。實驗結(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，不遵守此規(guī)律），即直徑越細，分流誤差越大。
當中間部位溫度高于800℃時，對于ф3.2mm鎧裝熱電偶將產(chǎn)生分流誤差。但對于ф6.4mm及ф8mm鎧裝熱電偶，當中間部位的溫度為900℃時，仍未發(fā)現(xiàn)分流誤差。對于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，當中間部位溫度為1100℃時，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)關系增大。因此，除測量端外，其它部位應盡可能避免超過800℃。
1）中間部位加熱帶長度及位置
當中間部位加熱帶溫度高于800℃時，其加熱帶的長度越長，距離測量端越遠，分流誤差越大。因此，應盡可能縮短加熱帶長度，并且，不要在遠離測量端處加熱，以減少分流誤差。
（3）熱電偶絲的電阻
當鎧裝熱電偶的直徑相同時，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型熱電偶測量爐內(nèi)溫場分布，費用雖高，但較準確。
（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。當絕緣電阻增加10倍或減少至1/10時，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，只好采用裝配式熱電偶。
3.4 短程有序結(jié)構變化（K狀態(tài)）的影響
K型熱電偶在250℃—600℃溫度范圍內(nèi)使用時，由于其顯微結(jié)構發(fā)生變化，形成短程有序結(jié)構，因此將影響熱電勢值而產(chǎn)生誤差，這就是所謂的K狀態(tài)[3]。它是Ni—Cr合金特有的晶格變化，當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，測量該點電勢。在450℃時偏差*大可達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：由低溫向高溫逐點升溫檢定。而且在400℃檢定點，不僅傳熱效果不佳，難以達到熱平衡，而且，又恰好處于K狀態(tài)誤差*大范圍。因此，對該點判定合格與否時應很慎重。

Ni—Cr合金短程有序結(jié)構變化的現(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。總之，K狀態(tài)與溫度、時間有關，當溫度分布或熱電偶位置變化時，其偏差也會發(fā)生很大變化。故難以對偏差大小作出準確評價。