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热电偶的正确选择及测量误差原因分析

来源:www.chems4you.com作者:发表时间:2017-11-04 14:09:56

        摘 要:热电偶是一种在自动化控制过程中应用非常普遍的温度传感设备。其结构简单、安装使用方便而被广泛应用于各行业自动化温度控制领域。为了保证热电偶在温度测量过程中安全、准确、长周期的运行,通过对热电偶分度号、测点位置及插入深度的正确选择,以及分析其在实际应用中出现的各种测量误差原因,提出了热电偶在选用过程中常被忽略的一些问题,以及热电偶测量误差的形成原因,希望为热电偶在正确选择及高精度测量方面起到一定帮助。

 
引言
       在工业自动化控制领域中热电偶作为温度测量中的重要传感器之一,为各行业的温度测量立下了“汗马功劳”。它因结构简单、测温准确、测量范围广、维护方便等特点被广泛应用于各行业自动化温度控制领域。然而也正是由于热电偶本身结构简单、安装使用方便等特点,在选用过程中往往对其分度号、插入深度等关键参数的选择容易被忽视,从而造成热电偶在使用过程中出现问题,引起测量误差甚至损坏热电偶的情况发生。另外由于在测量过程中诸如温度补偿、热响应时间、热阻抗、热电偶劣化等一系列问题引起的测量误差,也给实际用户带来了不小的麻烦甚至造成严重的经济损失。在现代工业自动化控制中越来越注重对仪表安全、测量准确性、使用寿命及稳定性的要求,之前也有大批的科研人员及热工仪表工程师对热电偶的测温准确性、适应性以及测温结构做了大量的研究。在此基础上本文从热电偶的选择以及实际应用出发,对热电偶不同分度号以及测温范围的适应性如何选择、测温点位置的选择、热电偶插入深度如何正确选择进行了分析和阐述。同时对热电偶在使用过程中由于温度补偿、热响应时间、热阻抗、热电偶劣化等原因产生的测量误差原因进行分析,并给出了解决办法。希望对热电偶准确测温、长周期测温方面有一定帮助。
 
1 热电偶的选择
       热电偶由于使用简单应用也非常广泛,但是在最初选用过程中往往更注重热电偶的安装接口、套管材质、耐压等级等关系到热电偶安装及安全的参数指标,却容易忽略掉热电偶的适应性、测温范围以及插入深度对测温结果的影响。
1.1 热电偶分度号的选择
       热电偶分度号的选择通常是根据被测介质的工作温度来决定的,一般情况下根据热电偶不同分度号的测温范围以及实际使用情况我们大致将热电偶分为中低温、中高温以及高温三种类别的分度热电偶。下面就这三种测温范围的热电偶如何选择进行分析和讨论。
1.1.1 中低温热电偶的选择
       若用于低温区测量(-200℃ ~ +350℃)可以选择T 分度热电偶,用于中低温区测量(-40℃ ~ +700℃)可选择 E、J 分度热电偶,但由于 T、J 分度热电偶的正极分别为纯铜和纯铁材质,在产品的制作和使用过程中极易被氧化,所以不能用于氧化环境中测温。
 
       若要在氧化环境中进行测温,推荐使用 E 分度热电偶。E 分度热电偶不仅能覆盖 J 分度热电偶的测温范围且热电势输出大、灵敏度高、稳定性好,抗氧化性能优于 T、J 分度热电偶,能用于氧化性和惰性气体环境中,但不能直接在高温下用于硫、还原性气体环境中,这样将会导致 E 分度热电偶热电势均匀性出现较大误差。
 
1.1.2 中高温热电偶的选择
       K、N 分度热电偶是目前市场上应用广泛的廉金属热电偶,主要用于中高温区的温度测量(-40℃ ~ +1200℃)。其中 K 分度热电偶因线性度好、热电动势较大、灵敏度高、稳定性和均匀性较好、抗氧化性能强、价格便宜等优点占据了绝对的市场份额。N 分度热电偶是一种最新国际标准化的热电偶,它成功的克服了 K 分度热电偶的两个重要缺点,即 K 分度热电偶在 300℃ ~500℃间由于镍铬合金的晶格短程有序而引起的热电动势不稳定;在 800℃左右由于镍铬合金发生择优氧化引起的热电动势不稳定。其综合性能优于 K 分度热电偶,是一种很有发展前途的热电偶。但在低温范围内(-200℃ ~ 400℃)的非线性误差较大,同时材料较硬难于加工是 N 分度热电偶的一大缺点。
 
1.1.3 高温热电偶的选择
       S、R、B 分度热电偶因其正负电极采用铂及铂铑合金制成,故被称作贵金属热电偶。是适应于高温区测量(800℃ ~1600℃)的热电偶,其中 S、R 分度热电偶推荐长期使用温度为(800℃ ~1300℃),B 分度热电偶推荐长期使用温度为(800℃ ~ 1600℃)。因这几种分度的贵金属热电偶测温准确度高、稳定性好、测温区宽、测温上限高等优点,被广泛应用于1000℃以上的高温测量场合,如冶金、玻璃、陶瓷等行业的测温。不足之处是热电势较小、灵敏度较低、高温下机械强度下降、对污染非常敏感、贵金属材料昂贵,导致一次性投资较大。但总体看来贵金属热电偶还是高温区域温度测量的主力军,加上现在的热电偶生产工艺不断进步,可有效的保护电极丝在高温下不被污染,提高产品的使用寿命。
 
以上各类高低温热电偶除电极本身材质不同之外,在结构上并没有本质的区别,主要还是根据不同的分度号选择合适的测温范围以及测量环境的适应性。
热电偶优缺点对比表
1.2 测点位置及插入深度的选择
       从测温原理上来说,热电偶属于接触式测温仪表,其测温点位置的选择是最重要的。该测温点不仅要能够直观反映出被测介质的真实温度,还必须是整个设备单元或控制的关键温度测点。所以选择测温点时应具有典型性和代表性,否则将失去测量与控制的意义。
 
       插入深度通常是指热电偶从安装密封面位置至产品端部的长度,该长度的选择可直接影响热电偶的测温结果。例如测量管道中流体温度时,热电偶的测量端(即测温点)应处于管道中流速最大处。一般来说,热电偶的保护套管末端应越过流速中心线,最好是迎介质流向斜 45°插入,这样可让热电偶测量端与介质进行充分的热交换,且减少热电偶达到测量热平衡的时间。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(约为直径的 15-20 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就不受上述限制。根据 ASME PTC19.3 的要求,为避免在高流速环境中发生共振造成保护管断裂的严重危害,保护套管激励频率(f s )和固有频率(f n )之比即 f s <0.8f n ,但当保护套管受到的最大弯曲力大于等于保护套管可承受的疲劳应力极限时,其保护套管激励频率和固有频率之比就应满足 f s <0.4f n 。而保护套管的激励频率和固有频率又与其插入深度、保护套管的结构和几何尺寸有关。图 1 为激励频率和固有频率之比与不同结构套管插入深度的关系曲线图。从图中不难看出,保护套管激励频率与固有频率的比值大小与插入深度有直接的关系,插入深度越长保护套管激励频率与固有频率的比值就越大,更容易出现保2 测量中出现的误差
 
2.1 参考端温度没有得到完全补偿而引起的误差
       热电偶参考端温度最好保持在 0℃,但在实际测温时,参考端不可能是 0℃,需要采用恒温器、补偿电桥或补偿导线等方法来设法恒定在某一温度下。如果实际测温标准和被测温度是采用室温补偿,由于室温不易恒定,可能使两者感受的温度不同,就会造成测试结果产生很大误差。采用室温修正,由于其误差较大,一般只适用于现场校验,不适宜对产品的精确测量。
 
2.2 补偿导线使用不当引入的误差
       利用补偿导线可以把热电偶的参考端延长到温度较为恒定的环境再进行修正补偿,此时参考端即变为一个温度变化很小的新参考端。从本质上来说它并不能消除参考端不为 0℃带来的误差,所以还应该结合其它修正方法进行补偿。在使用补偿导线时,一定要选择与热电偶分度号相匹配的导线,一定要正确连接补偿导线的正负极与热电偶的正负极相连接,若补偿导线使用不当导致没有消除引线电阻,会引起较大的测量误差。同时还应注意补偿导线与热电偶连接处的温度应保持一致且温度应控制在(0-150℃)之间,否则也会产生新的测量误差。
 
2.3 测量仪表精度引起的误差
       测量仪表的精度等级高低是决定测量误差大小的因素之一,测温仪表精度等级的选择要考虑测温点要求的准确度并和整个测温系统相匹配,否则也会引起测温误差。
 
2.4 热电偶响应时间引起的误差
       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,保持时间的长短同测温元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 30 秒钟以上才能达到平衡;对于液体介质,最快也要在 5 秒钟以上。对于温度不断变化的被测场所,尤其是瞬间变化的过程,有的全过程仅 1 秒钟,则要求传感器的响应时间在毫秒级。由于普通的温度传感器不但跟不上被测对象的温度变化速度出现滞后,而且会因达不到热平衡而产生测量误差,最好选择响应快的传感器。滞后时间不仅决定于热电偶材料的导热系数,热电偶接点的热容量、表面积、容积,还决定于被测介质的热容量和导热系数以及介质(流体)本身的流动情况。
 
       热电偶测温时,与被测介质之间的热交换主要是对流传热,通过对流体传热使热偶接点吸热后温度升高。对流传热的大小决定于介质温度与热电偶接点温度之差和热偶接点与被测介质接触的面积大小,即:如果忽略热偶接点温度对周围环境的辐射和沿热电偶导线的导热损失而产生放热,则热偶接点吸收的热量转变为接点的温度变化。如果被测温度不是稳定值,而是随时间迅速变化,要能反映出某瞬时的真实温度,这就要求热电偶的动态响应要高,即时间常数要小。具体措施如下:
       (1)减小热电偶接点体积。接点体积减小,热容量也随之减小,而且传热系数 α 随之增大;
       (2)增大热偶接点与被测介质接触的表面积。对于相同体积的接点,若将球形压成扁平状,体积不变而表面积增大了,这样就可减小时间常数。
 
2.5 热阻抗问题引起的测量误差
       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,在使用过程中将有残渣沉积,不仅会增加热电偶的响应时间,还会使指示温度偏低。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,不仅安装有连续测温热电偶,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。
 
2.6 热电偶劣化引起的测量误差
       所谓热电偶的劣化,即热电偶经使用后,出现老化变质的现象。由金属或合金构成的热电偶,在高温下其内部晶粒要逐渐长大。同时合金中含有少量杂质,其位置或形状也将发生变化,而且,对周围环境中的还原或氧化性气体也要发生反应。伴随上述变化,热电偶的热电动势也将极其敏感地发生变化。
 
       因此热电偶的劣化现象是不可避免的。热电偶发生老化的原因因热电偶不同而异,主要有两方面原因:一方面是热电偶材料本身长期在高温作用下发生变质;另一方面是测温环境各种气体对热电偶的作用使热电极发生质变。减小老化误差的途径是注意各种热电偶测温条件、定期对热电偶进行检定。
 
3 结束语
       综上所述,热电偶在选型和具体应用过程中还存在许多需要考虑和注意的问题,主要为热电偶分度号的选择、测温点位置和插入深度的选择、温度补偿、热响应时间、热阻抗、热电偶劣化等。在以后的热电偶传感器应用过程中,只要正确选型并有效解决测温误差问题,就可以提高其测量准确程度,也可以对热电偶的寿命进行有效延长。
 
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