影响热电偶测量误差的因素有哪些

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虽然我从不相信命运,但这次我要感谢上帝。蓦然之间,我发现父亲已经不在是当
择是最重要的。测温点的位置,对于生产工艺过
程而言,一定要具有典型性、代表性,否则将失 去测量与控制的意义。(2)插入深度热电偶插入
被测场所时,沿着传感器的长度方向将产生热
流。当环境温度低时就会有热损失。致使热电偶 与被测对象的温度不一致而产生测温误差。总 之,由热传导而引起的误差,与插入深度有关。 而插入深度又与保护管材质有关。金属保护管因 其导热性能好,其插入深度应该深一些(约为直
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有炉渣沉积,不仅增加了热电偶的响应时间,而
且还使指示温度偏低。因此,除了定期检定外, 为了减少误差,经常抽检也是必要的。例如,进
口铜熔炼炉,不仅安测温热电偶,还配备消耗型
热电偶测温装置,用于及时校准连续测温用热电 偶的准确度。4、热电偶丝不均质影响:(1)热 电偶材质本身不均质热电偶在计量室检定时,按 规程要求,插入检定炉内的深度只有 300mm。因 此每支热电偶的检定结果,确切的说只能体现或
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条件与铠装热电偶种类和直径等因素有关[2],
7、分流误差的影响因素及对策高温下铠装热电 偶产生分流误差的现象,正在引起人们的重视,
因此有必要了解分流误差的影响因素,并采取适
当对策以减少或消除分流误差的影响。(1)铠装 热电偶直径对于长度为 9 米的 K 型铠装热电偶 (MgO 绝缘),只将热电偶中间部位加热。实验结 果表明:分流误差的大小与其直径的平方根成反 比(直径过细,不遵守此规律),即直径越细,
电阻大,故更容易产生分流误差。②外径相同的
铠装热电偶,热电偶丝越细,越容易产生分流误
差。(2)分流误差产生的条件将铠装热电偶水平 插入炉内,其规格及实验条件为:直径ф4.8mm, 长度为 25m,中间部位加热带的长度为 20m,温度 为 1000℃。本次实验中,热电偶的测量端与中间 部位的温差为 200℃。如果测量端温度高于中间 部位,则产生负误差;相反,则产生正误差。如 果两者的温差为 200℃,那么,分流误差约为 100℃。这是绝对不能忽视的,分流误差的产生
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然对数的底(2.718)因此,当 t=τ时,则 Δθ=Δθ0/e 即 为
0.368 , 如 果 当
t=2τ 时 ,

Δθ=Δθ0/e2
流误差瓦轴渗碳炉用铠装热电偶,仅使用一周就
不准了。为探讨原因,作者曾到现场考察,但未 发现异常,只好从炉子上取下来经计量室检定结
果合格。那么问题何在呢?最后,根据该支热电
偶的现场安装特点,经研究发现,上述问题是铠 装热电偶的分流误差造成的。所谓分流误差即用 铠装热电偶测量炉温时,当热电偶中间部位有超 过 800°C 的温度分布存在时,因其绝缘电阻 下降,热电偶示值出现异常的现象,称为分流误
格的热电偶也会因操作不当,在使用时不合格,
在渗碳等还原性气氛中,如果不注意,K 型热电 偶也会因选择性氧化而超差。为了提高测量精
度,减少测量误差,延长热电偶使用寿命,要求
使用者不仅应具备仪表方面的操作技能,而且还 应具有物理、化学及材料等多方面知识。热电偶 在温度测量担当着不可或缺的角色,对于影响测 量误差的主要因素有:1,插入深度的影响(1) 测温点的选择热电偶的安装位置,即测温点的选
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差。依据均质回路定则,用热电偶测温只与测量
端与参考端两端温度有关,与中间温度分布无 关。可是由于铠Βιβλιοθήκη Baidu热电偶的绝缘物是粉末状 MgO,
温度每升高 100°C,其绝缘电阻下降一个数
量级,当中间部位温度较高时,必定有漏电流产 生,致使在热电偶输出电势中有分流误差出现。 K 型与 S 型相比,K 型热电偶丝电阻比 S 型
测温元件引起的误差。由式(22)可以看出,响
应误差与时间常数(τ)成正比。为了提高 检定效率许多企业采用自动检定装置,对入厂热
电偶进行检定,但是,该装置也并非十分完善。
二汽变速箱厂热处理车间就发现如果在 400℃点 的恒温时间不够,达不到热平衡,就容易发生误 判。3,热辐射的影响插入炉内用于测温的热电 偶,将被高温物体发出的热辐射加热。假定炉内 气体是透明的,而且热电偶与炉壁的温差较大
温度,KTw 炉壁的温度,K 在单位时间内,热电偶同
周围的气体(温度为 T),通过对流及热传导也将 发 生 热 量 交 换 的 能 量 为
P′P′=αA(T-Tt)(24)式中 α热导率 A 热电偶的表面积在正常状态下,
P=P′,其误差为: Tt-T=σε
(Tt4-Tw4)/αА (25)对于单位面积而
言其误差为 Tt-T=σε(Tt4-Tw4)
/α(26)因此,为了减少热辐射误差,应 增大热传导,并使炉壁温度 Tw,尽可能接近热电 偶的温度 Tt。热阻抗增加的影响在高温下使用的 热电偶,如果被测介质为气态,那么保护管表面 沉积的灰尘等将烧熔在表面上,使保护管的热阻 抗增大;如果被测介质是熔体,在使用过程中将
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件的热响应时间有关。而热响应时间主要取决于
传感器的结构及测量条件,差别极大。对于气体 介质,尤其是静止气体,至少应保持 30min 以上
才能达到平衡;对于液体而言,最快也要在 5min
以上。对于温度不断变化的被测场所,尤其是瞬 间变化过程,全过程仅 1 秒钟,则要求传感器的 响应时间在毫秒级。因此,普通的温度传感器不 仅跟不上被测对象的温度变化速度出现滞后,而 且也会因达不到热平衡而产生测量误差。最好选
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不仅传热效果不佳,难以达到热平衡,而且,又
恰好处于 K 状态误差最大范围。因此,对该点判 定合格与否时应很慎重。 NiCr 合金短程有序结构
变化的现象,不仅存在于 K 型,而且,在 E 型热
电偶正极中也有此现象。但是,作为变化量 E 型 热电偶仅为 K 型的 2/3。总之,K 状态与温度、 时间有关,当温度分布或热电偶位置变化时,其 偏差也会发生很大变化。故难以对偏差大小作出 准确评价。6、铠装热电偶的分流误差:(1)分
即 为
0.135。当被测对象的温度,以一定的速度α (k/s 或℃/s)上升或下降时,经过足够的时间后, 所 产 生 的 响 应 误 差 可 用 下 式 表 示 : Δθ∞=-ατ(22) 式中Δθ∞经过足够时间后,
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时,将因能量交换而产生测温误差。在单位时间
内,两者交换的辐射能为 P,可用下式表示:
P=σε (Tw4-Tt4) (23)式中σ 斯忒藩波尔兹常数ε发射率 Tt 热电偶的
分流误差越大。当中间部位温度高于 800℃时,
对于ф3.2mm 铠装热电偶将产生分流误差。但对 于ф6.4mm 及ф8mm 铠装热电偶,当中间部位的
温度为 900℃时,仍未发现分流误差。对于ф
6.4mm(热电极丝直径为ф 1.4mm)与ф 8mm(热 电极丝直径为ф 2.0mm)的铠装热电偶,当中间 部位温度为 1100℃时,直径为ф8mm 的铠装热电 偶产生的分流误差仅为ф6.4mm 的一半。此数值
因偶丝的劣化而引起热电动势变化,例如:插入
工业炉中的热电偶,将沿偶丝长度方向发生劣 化,并随温度增高,劣化增强,当劣化的部分处
于具有温度梯度的场所,也将产生寄生电动势叠
加在总热电动势中而出现测量误差。作者在实践 中发现有的热电偶经计量部门检定合格的产品 (多为廉金属热电偶)到现场使用时却不合格。 再返回到计量部门检定仍然合格,其中主要原因 就是偶丝不均质引起的。生产热电偶的技术人员
径的 1520 倍),陶瓷材料绝热性能好,可插入浅
一些(约为直径的 10-15 倍)。对于工程测温, 其插入深度还与测量对象是静止或流动等状态
有关,如流动的液体或高速气流温度的测量,将
不受上述限制,插入深度可以浅一些,具体数值 应由实验确定。2、响应时间的影响接触法测温 的基本原理是测温元件要与被测对象达到热平 衡。因此,在测温时需要保持一定时间,才能使 两者达到热平衡。而保持时间的长短,同测温元
的晶格变化,当 Cr 含量在 530%范围内存在着原
子晶格的有序无序转变。由此而引起的误差,因 Cr 含量及温度的不同而变化。将 K 型热电偶从
300℃加热至 800℃,每 50℃取一点,测量该点
电势。在 450℃时偏差最大可达 4℃,在 350600℃ 范围内,均为正偏差。由于 K 状态的存在,使 K 型热电偶在升温或降温检定结果不一致,故在廉 金属热电偶检定规程中明文规定检定顺序:由低 温向高温逐点升温检定。而且在 400℃检定点,
热电偶是科研生产最常用的温度传感器,虽
然结构简单,但是,使用中不注意仍然会产生较 大测量误差。
在温度测温系统中,最常用的温度传感器热
电偶,但现场人员认为热电偶两根线结构简单, 热电偶在使用前如果不进行测试或正确使用,在
现场使用中仍然会出现各种问题。例如安装或使
用不当,将会引起较大的测量误差,甚至检定合
择响应快的传感器。对热电偶而言除保护管影响
外,热电偶的测量端直径也是其主要因素,即偶 丝越细,测量端直径越小,其热响应时间越短。
测温元件热响应误差可通过下式确定[1]。
Δθ=Δθ0exp ( -t/τ )( 21 ) 式 中 t 测 量 时 间 S , Δθ在 t 时刻,测温元件引起的误差, K 或℃Δθ0"t=0"时刻,测温元件引 起的误差,K 型热电偶或℃τ时间常数 Se 自
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的不均质尚未作出规定,只有在热电偶丝材标准
中,对热电偶丝的不均匀性有一定要求。对廉金 属热电偶采用首尾检定法求出不均匀热电动势。
正规热电偶丝材生产厂,均按国家标准要求,生
产出不均匀热电动势符合要求的产品。(2)热电 偶丝经使用后产生的不均质对于新制的热电偶, 即使是不均匀热电动势能满足要求,但是,反复 加工、弯曲致使热电偶产生加工畸变,也将失去 均质性,而且使用中热电偶长期处于高温下也会
虽然我从不相信命运,但这次我要感谢上帝。蓦然之间,我发现父亲已经不在是当
都切身体会到,热电偶的不合格率也随其长度的
增加而增加。皆是受热电偶丝材不均质的影响。 总之,由不均质即寄生电动势引起的误差,取决
于热电偶丝自身的不均质程度及温度梯度的大
小,对其定量极其困难。5、短程有序结构变化 (K 状态)的影响 K 型热电偶在 250℃600℃温度 范围内使用时,由于其显微结构发生变化,形成 短程有序结构,因此将影响热电势值而产生误 差,这就是所谓的 K 状态。它是 NiCr 合金特有
(50%)近视于两种铠装热电偶电极丝直径的平
虽然我从不相信命运,但这次我要感谢上帝。蓦然之间,我发现父亲已经不在是当
主要体现出从测量端开始 300mm 长偶丝的热电行
为,然而,当热电偶的长度较长时,则大部分偶 丝处于高温区,如果热电偶丝是均质的,那么依
据均质回路定则,测量结果与长度无关。然而,
热电偶丝并非均质,尤其是廉金属热电偶丝其均 质性较差,又处于具有温度梯度的场合,那么其 局部将产生热电动势,该电动势称为寄生电势。 由寄生电势引起的误差称为不均质误差。在现有 的贵金属、廉金属热电偶检定规程中,对热电偶
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