熱電偶固有特性引起的誤差分析

        熱電偶的熱電特性將隨其成分、 微觀結(jié)構(gòu)及殘余應(yīng)力大小而變化。 即使同一型號(hào)的熱電偶，它們的 E-t關(guān)系也不一致。 各種熱電偶都是在一定的誤差范圍內(nèi)與相應(yīng)的分布表符合。 此種誤差雖可通過檢定的方法加以修正，但應(yīng)指出，修正只是補(bǔ)正分度表與實(shí)際 E-t間的偏差，不意味著完全消除了熱電偶的誤差，至少還具有上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的傳遞誤差。

 

二、熱電偶不均勻引起的誤差

        均勻的熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)， 只與測(cè)量端、參考端溫度有關(guān)。可是，如果熱電偶絲不均質(zhì)，并且沿偶絲長(zhǎng)度方向存在溫度梯度，將引起熱電動(dòng)勢(shì)變化。 即使是新的熱電偶，實(shí)際上仍有不均質(zhì)問題存在，而且在裝配時(shí)還將產(chǎn)生應(yīng)力。還可能因?yàn)榧訜峄蚶鋮s速度在某局部不相同或者因化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的斑點(diǎn)等所引起的不均質(zhì)，導(dǎo)致的誤差是不可避免的。 不均質(zhì)誤差是由于在使用時(shí)不均質(zhì)部分處于有溫度梯度的場(chǎng)合所產(chǎn)生的誤差，即不均質(zhì)誤差與測(cè)溫時(shí)沿?zé)犭娕奸L(zhǎng)度方向的溫度梯度有關(guān)。 溫度梯度越大，材質(zhì)的不均勻性影響就越大。 例如有的熱電偶在檢定爐內(nèi)檢定合格，但使用時(shí)未必合格，其中主要原因之一，就是材質(zhì)不均勻產(chǎn)生附加電動(dòng)勢(shì)造成的。 因此，熱電偶的受檢定狀態(tài)應(yīng)盡可能與使用狀態(tài)一致，這點(diǎn)必須注意。為探討材質(zhì)不均勻的影響， 在 1560℃ 下將 S 型熱電偶插入爐內(nèi)深度為 360mm ，產(chǎn)生誤差為 1.3℃ ；插入440mm ，誤差為 0.4℃ 。對(duì) B 型熱電偶而言，在相同條件下其誤差分別為 0.5℃ 與 0.1℃ 。 這些誤差數(shù)值表明，由上述熱電偶的測(cè)量端起至 15mm 的這部分，是很不均勻的，在此 15mm 間產(chǎn)生誤差的均勻值如表 1 所示。

 

        所以，在測(cè)溫點(diǎn)附近即使有極小的溫度梯度，也會(huì)引起 0.1℃ 左右的誤差，使用時(shí)要注意。 不均質(zhì)的測(cè)量方法很多，但作為實(shí)用方法，以同時(shí)比較同種熱電極絲為好。

三、由滯后現(xiàn)象引起的誤差

        熱處理溫度與時(shí)間的關(guān)系如表 2 所示， 由于冷卻速度不同，在低溫下存在各種準(zhǔn)平衡狀態(tài)是引起滯后現(xiàn)象的原因。顯微結(jié)構(gòu)的變化將引起熱電動(dòng)勢(shì) - 溫度特性滯后。這種滯后現(xiàn)象通常隨熱電極絲的加工狀態(tài)、加熱溫度、時(shí)間、冷卻速度的不同而相異。例如，在某溫度下加熱后， 以極其緩慢的速度冷卻， 則不發(fā)生滯后現(xiàn)象。在實(shí)際使用時(shí)，冷卻的時(shí)間常數(shù)為（ 5~10 ） min ，就可以避免滯后現(xiàn)象。 當(dāng)使用溫度變化時(shí)，如有滯后現(xiàn)象發(fā)生，將引起滯后誤差。 對(duì)于 S 或 R 型熱電偶，該誤差可達(dá) 0.6℃ 。 使用前預(yù)先將熱電極絲全長(zhǎng)在 1100℃ 下進(jìn)行熱處理，則可以避免此種誤差。 如果進(jìn)行上述熱處理有困難時(shí)，要盡可能在與使用狀態(tài)相同的條件（溫度梯度分布及熱循環(huán)情況）下校準(zhǔn)。鎳鉻熱電極與鉑銠極滯后現(xiàn)象相似，鎳鉻熱電極的加熱溫度與時(shí)間的不同， 使熱電動(dòng)勢(shì)率發(fā)生變化。

        這種滯后現(xiàn)象對(duì)溫度測(cè)量的影響， 同鉑銠絲相比，約大一個(gè)數(shù)量級(jí)，有時(shí)該誤差竟達(dá) 8℃ 。 在 200℃~500℃范圍內(nèi)的熱循環(huán)過程中，引起的誤差可達(dá) 80μV 。 tuijian在 450℃ 下， 對(duì)熱電極絲全長(zhǎng)進(jìn)行預(yù)處理的時(shí)間達(dá)80min 。

 

        如果是純金屬金 - 鉑、銀 - 鈀制成的熱電偶，則不必?fù)?dān)心上述滯后現(xiàn)象。

 

四、寄生電動(dòng)勢(shì)引起的誤差

        從熱電偶參考端到測(cè)量回路中，只要有很小的溫度梯度，那么在不同金屬接觸處就將產(chǎn)生寄生熱電動(dòng)勢(shì)。如果有水，可能還將產(chǎn)生化學(xué)寄生熱電動(dòng)勢(shì)。為了消除化學(xué)寄生電動(dòng)勢(shì)，應(yīng)避免沾著水分。 為保證導(dǎo)線的物理化學(xué)性能相同，應(yīng)從同一卷導(dǎo)線上截取，#好在冰點(diǎn)裝置內(nèi)將兩根線短路， 測(cè)量其寄生電動(dòng)勢(shì)，找出不產(chǎn)生寄生熱電動(dòng)勢(shì)的導(dǎo)線。 而且，整套測(cè)量裝置要盡可能避免放在有日光直接照射或者輻射以及容易引起溫度梯度的場(chǎng)所，并采取必要的遮蔽或保溫措施，可使寄生熱電動(dòng)勢(shì)降至 1μV 以下。 對(duì)于高精度測(cè)量， 要選用熱電動(dòng)勢(shì)小的切換開關(guān)與極性轉(zhuǎn)換開關(guān)，不但要將其放入無(wú)溫度梯度場(chǎng)所，而且在開關(guān)中要放置一短路裝置，通過測(cè)量零電壓來(lái)補(bǔ)償回路的寄生電動(dòng)勢(shì)更好。 采用此種方法，可將寄生電動(dòng)勢(shì)的影響減小到 0.02μV 左右。

 

五、熱傳導(dǎo)誤差

        為了消除熱電極絲的熱傳導(dǎo)誤差，必須考慮熱電偶的插入深度以及溫度分布等。該種熱傳導(dǎo)誤差將隨熱電極的材質(zhì)、尺寸、絕緣物、保護(hù)管的材質(zhì)、尺寸，周圍流體的特性、流速及表面狀態(tài)的不同而變化，并隨環(huán)境溫度與溫度分布情況而改變。

 

        當(dāng)沿?zé)犭姌O絲的溫度分布為斜線時(shí)，其熱傳導(dǎo)誤差 Δθ 為

        Δθ=Lθ m 〔 exp （ -x 1 /L ） -exp （ -x 2 /L ）〕 / 〔（ 1+β ）（ x 2 -x 1 ）〕（ 1 ）

        當(dāng)溫度分布為二次曲線時(shí)，其熱傳導(dǎo)誤差 Δθ 為Δθ=θ 2L / 〔 2 （ 1+β ）〕 （ 2 ）

        熱傳導(dǎo)誤差常數(shù)如表 3 所示。 例如對(duì) K 型熱電偶，Φ3.2 電極絲的 L=25mm ， β=0.37 ， x 1 =150mm ， x 2 =300mm ，

        由式（ 1）可求得Δθ≈0.3℃

 

        在用比較法檢定熱電偶時(shí)，為了獲得 0.1℃ 的檢定準(zhǔn)確度，其檢定爐的恒溫帶長(zhǎng)#好為（ 150~200 ） mm ，均勻性應(yīng)在 ±1℃ 以內(nèi)。

六、動(dòng)態(tài)誤差

        測(cè)量?jī)x表不能跟蹤被測(cè)物體的溫度變化所引起的誤差。 對(duì)于靜止或溫度變化緩慢的物體，動(dòng)態(tài)誤差很小。 但對(duì)高速氣流或瞬間變化的溫場(chǎng)，由于測(cè)溫元件的熱惰性，動(dòng)態(tài)誤差可能很大。 這時(shí)必須采用小惰性熱電偶才能減少動(dòng)態(tài)誤差。