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關(guān)于熱電偶的測量誤差分析
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關(guān)于熱電偶的測量誤差分析

時間:2020-09-25 16:36:33

 【摘 要】 熱電偶是#常見、#簡單的一種溫度傳感器。對于關(guān)鍵的敏感電路和設(shè)備,提供精que、穩(wěn)定的熱電偶測量至關(guān)重要。本文主要介紹熱電偶的原理、主要特點、分類和測量誤差分析,重點闡述減少、消除熱電偶測量誤差的具體方法,從而實現(xiàn)真實可靠的熱電偶測量系統(tǒng)。I36壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

 
1 引言
由于具備測溫范圍廣、精度高、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等眾多優(yōu)勢,熱電偶被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)中[1]。精que的熱電偶測量,尤其是關(guān)鍵的敏感電路和設(shè)備,對電子工程、機械工程等基礎(chǔ)科學研究和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域至關(guān)重要[2]。為了降低測量偏差,熱電偶在使用過程有很多注意事項,例如正確安裝點、正負極不能接反、需冷端補償、電磁干擾等環(huán)境因素干擾等。本文詳細闡述并分析熱電偶的測量誤差及其產(chǎn)生原因,探討并揭示減少、消除熱電偶測量誤差的策略和具體解決方法。 
 
2 熱電偶原理
塞貝克(Seebeck)效應(yīng),又稱地衣熱電效應(yīng),它是指由于兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間電壓差的熱電現(xiàn)象。熱電偶是根據(jù)塞貝克原理,將兩種不同金屬材料焊接在一起實現(xiàn)測溫的傳感器[2]。如圖 1 所示,一端焊接在一起(稱為熱端),熱端受熱后會產(chǎn)生一個小的熱電電壓。另一端(稱為冷端)連接到測量儀表或是采集模塊上,將熱電電壓的變化顯示為溫度變化[3,4]。
熱電偶原理圖
3 熱電偶主要特點
具有測量范圍大、測量精度高、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)時間快、成本低的優(yōu)勢,熱電偶被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中。熱電偶主要特點見表1。
熱電偶主要特點
4 熱電偶分類
熱電偶的分類方法很多,比如按分度號、連接點類型、外形結(jié)構(gòu)、金屬類別等,從不同角度熱電偶都可以分類。 
 
4.1 分度號
根據(jù)國際上常用標準生產(chǎn)的熱電偶,分度號主要有J /K /T /E/N /R /S /B /G /C /D 等。各分度號正負極的具體合金材料見表2。
各分度號的金屬材質(zhì)
極性的標準做法一般分為兩種,如圖2所示:(1)ANSI色標(美國guojia標準學會):將負極標記為紅色;(2)IEC(國際電工委員會):將負極標記為白色。
色標
4.2 連接點類型
一般分為三種:外露型、非接地型和接地型,如圖3所示。
連接點類型
外露型:連接點伸出了護套材料,響應(yīng)時間在三者中#快。
非接地型:連接點與護套材料電氣隔離,而護套材料也起到屏蔽的作用,抗電噪聲能力在三者中#有優(yōu)勢。
接地型:連接點直接焊接到護套材料上,響應(yīng)時間介于外露型和非接地型之間,具體兩者的雙重優(yōu)勢。 
 
4.3 外形結(jié)構(gòu)
從外形結(jié)構(gòu)上分類,主要有裸線熱電偶(即裸露金屬絲)、帶絕緣層線熱電偶、鎧裝熱電偶(金屬護套或陶瓷護套)、表面接觸
式熱電偶(直接粘貼、磁性吸附、膠貼等方式直接接觸測溫)[7]。 
 
4.4 金屬類別
從熱電偶的金屬護套材料上分類,一般分為基金屬熱電偶(也稱廉價金屬熱電偶,比如204不銹鋼)和貴金屬熱電偶(比如XMO鉬管)。
 
5 熱電偶測量誤差分析
本章節(jié)主要從兩個方面進行闡述:一是對熱電偶測量誤差來源進行分析,二是闡述了減少、消除熱電偶測量誤差的具體方法。
 
測量誤差是相對于真實值而言的,測量結(jié)果與被測真實值的差值即為測量誤差。
 
對于熱電偶測量誤差來源,可分為三大類:人的因素、環(huán)境的因素和本身屬性的因素。有些誤差可以消除、完全避免,比如選型不當、安裝不當?shù)。而有些誤差不可能完全消除,只能盡可能地減弱、盡量避免,比如電磁干擾、對電噪聲感應(yīng)敏感、需要冷端補償?shù)取?nbsp;
 
5.1 選型不當
常見為選錯分度號,各廠家不同分度號熱電偶都有各自精度規(guī)格。國內(nèi)標準精度等級與其他guojia是有差異的,選型環(huán)節(jié)不能僅局限于一級或是二級精度的表面理解,而是要了解具體的精度誤差值。實際行業(yè)應(yīng)用是復(fù)雜變化多端的,比如航空航天、電力行業(yè)要求精密測量、從而進行精que控制,所以選型環(huán)節(jié)很關(guān)鍵,根據(jù)實際精度要求正確選型。
 
筆者在3年前碰到一個生產(chǎn)半導(dǎo)體的客戶,選購了公司的一種K型標準誤差限熱電偶,產(chǎn)品精度規(guī)格為2.2℃或 0.75%(0℃以上,兩者取大值)【客戶要求為常溫至100℃之間,#大誤差為0.5℃】,客戶送檢地方計量院未通過[8]。這就是典型的選錯分度號案例,客戶可選購公司的T型特殊誤差限熱電偶滿足要求【精度規(guī)格為0.5℃ 或 0.4%(兩者取大值)】[2]。 
 
5.2 中間連接器、延長補償線不匹配
熱電偶是由兩種不同材料的金屬焊接一起實現(xiàn)測溫的,這是區(qū)別熱電阻和熱敏電阻的#大區(qū)別,若需要延長線,不能用普通銅導(dǎo)線替代。熱電偶、中間連接器、延長補償線都要完全匹配,比如K型熱電偶,就要用K型中間連接器(公、母插頭)和K型延長補償線。
 
在使用延長補償線時,我們要注意:一是與熱電偶兩個連接點的溫度相同。二是延長線并非可以無限延長,#大經(jīng)驗阻抗值為100Ω,可以基于這個值和電阻與線徑的關(guān)系系數(shù)值計算出#大允許熱電偶線長度。比如同條件下24AWG比20AWG線規(guī)(AWG:美國線規(guī))線徑更細,橫截面積的阻值更大,可延長的長度更短。三是在限制的溫度范圍內(nèi)使用等。
 
為了消除這個誤差:一方面在工程師選型時確認好,另一方面在現(xiàn)場施工時避免用錯,從而保證熱電偶、中間連接器、延長補償線完全一致。 
 
5.3 +、-極接反
在有中間連接器、延長線的應(yīng)用中易出現(xiàn)+、-極性接反的現(xiàn)象,這是一種常見的客戶應(yīng)用現(xiàn)場故障。
接法對比
下面列舉一個典型案例:一個做機械成套設(shè)備客戶使用了K型熱電偶、多芯K型熱電偶延長線和K型熱電偶面板,300℃以下#大有 30℃ 偏差,300℃ 以上正!,F(xiàn)場單好驗證 K 型熱電偶,測量值和實際溫度值基本一致。經(jīng)故障排除確認,是K型熱電偶面板背部的+、-極性接反了。如圖4所示:右邊為正確接法,左邊正負極接反,其中1表示中間連接器,2表示延長線。
 
因此,建議用同廠家配套的,同色標顏色一致的,如上述的ANSI色標:紅線是負極,以便接線,每個中間連接器都需要正對正、負對負。另一方面要求施工人員掌握一定的熱電偶基本知識,或是在專業(yè)工程師指導(dǎo)下完成施工。 5.4 正確安裝點安裝原則為:不管是何種外形結(jié)構(gòu)的熱電偶,測溫點必須與待測點一致[9]。
 
在現(xiàn)場安裝熱電偶時,要選取正確的安裝位置。設(shè)計人員要提前出具安裝圖紙,安裝人員要按圖紙施工,另一方面有必要對安裝人員進行培訓(xùn),使其掌握一定熱電偶基礎(chǔ)知識。在應(yīng)用現(xiàn)場,偶爾也碰到客戶將同一個熱電偶信號并聯(lián)輸出給兩個不同的測溫設(shè)備,雖然熱電偶也是輸出電壓信號,但它是非常微弱的mV信號,基本都在幾毫伏至幾十毫伏之間。這種誤區(qū)可能導(dǎo)致讀數(shù)錯誤或信號丟失。常用解決方案有:用雙熱電偶探頭(即探頭內(nèi)部配置了2套熱電偶,對應(yīng)輸出2路熱電偶信號),或是用信號放大器轉(zhuǎn)換為標準伏特V信號、電流4-20mA信號實現(xiàn)多路輸出。
 
如果熱電偶送檢時校準方法不當,也可能產(chǎn)生大的測量誤差,#終導(dǎo)致校準未通過。
 
校準鎧裝熱電偶時,基于校準溫度點選擇對應(yīng)校準設(shè)備:一 般300℃以下是用恒溫槽(液體硅油),探頭插入不同深度溫度都相同的,不過一般計量院對#大和#小插入深度也有要求的。300℃以上是用爐子的,常見有臥式爐和干體爐。探頭是要求插到底的,探頭尖端直接與內(nèi)部加熱塊接觸,因為即使同一個爐子同一個腔體,不同位置點,溫度是不一樣的。實際上探頭插入深度與探桿直徑有一定比例關(guān)系的,所以送檢前需要確認被檢探頭長度。另外爐腔與探桿的間隙也是有要求的,如果探桿直徑較爐腔直徑太細,也會增大測量誤差[8,10]。 
 
5.5 響應(yīng)時間
熱電偶響應(yīng)時間又稱熱電偶時間常數(shù),它是熱電偶的本身屬性,是影響熱電偶測量誤差的一個重要因素。熱電偶響應(yīng)時間分析是需要在特定條件下進行的,同根熱電偶響應(yīng)時間受大氣環(huán)境影響,比如大氣壓力、溫濕度不同,響應(yīng)時間也不同。另外被測介質(zhì)(固體、液體、氣體)不一樣,響應(yīng)時間也不一致。如上文論述的外露型熱電偶,在要求極快響應(yīng)時間的氣體溫度測量時被廣泛應(yīng)用。實際應(yīng)用中要選擇合適外形結(jié)構(gòu)的熱電偶:鎧裝、表面、外露接點等,盡量減少響應(yīng)時間因素導(dǎo)致的測量誤差[2,7]。 
 
5.6 焊接工藝
連接兩根熱電偶線,常用工具為專業(yè)點焊機,焊接工藝好壞也會直接影響熱電偶測量的準確性,比如焊點過大(按經(jīng)驗:焊接外露型熱電偶時,焊點直徑一般為 2.5 倍偶絲直徑)、引入雜質(zhì),都會產(chǎn)生大的測量誤差。 
 
5.7 絕緣阻值
產(chǎn)品質(zhì)量決定了熱電偶使用壽命。在非接地性鎧裝熱電偶應(yīng)用中,在100℃以上誤差很大,后經(jīng)絕緣測試驗證,發(fā)現(xiàn)熱電偶絕緣阻值不達標。鎧裝熱電偶的金屬護套內(nèi)一般填充氧化鎂粉末,若水氣濕氣侵入,會被氧化鎂迅速吸收,熱電偶絕緣阻值就會下降。表3為應(yīng)用故障排除的重要相關(guān)參考指標:
絕緣阻值
5.8 電磁干擾
電磁干擾無處不在,在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中泵、電機、電磁閥、風機等可能會產(chǎn)生嚴重的電磁干擾,甚至溫度儀表導(dǎo)線可能會起到天線作用,從而影響了熱電偶測量值的準確性。
 
為了消除或是減弱電磁干擾:一方面布線施工時熱電偶盡量院秒動力電纜,盡可能院秒干擾源。另一方面優(yōu)化熱電偶測量系統(tǒng),諸如使用屏蔽雙絞線;可靠接地;使用模擬信號放大器,如使用 4-20mA 信號(該信號具備長距離傳輸、更強抗噪聲能力);軟件計算補償;使用數(shù)字量信號等。 
 
6 結(jié)束語
綜上所述,要得到精que的熱電偶溫度測量,我們不僅要避免選型、安裝不當?shù)娜藶橐蛩,還要考慮電磁干擾的環(huán)境因素,更要注意冷端補償?shù)谋旧韺傩。筆者多年從事儀器儀表自動化行業(yè),基于豐富的現(xiàn)場工作經(jīng)驗,撰寫此文希望能給從業(yè)工程師們提供一些經(jīng)驗。
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