葛紀(jì)全

[摘 要]測溫系統(tǒng)中，熱電偶已經(jīng)成為最常用的溫度傳感器，因其結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜被廣泛的應(yīng)用在各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域。熱電偶是由兩種不同材料的均質(zhì)導(dǎo)體組成，應(yīng)用熱電效應(yīng)這一原理來實(shí)現(xiàn)溫度測量。在檢測和使用過程中，由于安裝或使用方法不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)各種問題。本文主要對熱電偶的物理性能及材料等方面做了簡要說明，對熱電偶的檢測和使用中遇到的實(shí)際問題做了解答。

[關(guān)鍵詞]熱電偶；熱輻射；氧化性；保護(hù)管。

中圖分類號(hào)：TU473 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）37-0258-01

0 引言

熱電偶是一種感溫元件，是一次儀表。它直接測量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢信號(hào)，通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過，此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢——熱電動(dòng)勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。

1 測量誤差的主要影響因素

1.1 插入深度的影響

1.1.1 測溫點(diǎn)的選擇

熱電偶的安裝位置，即測溫點(diǎn)的選擇是最重要的。測溫點(diǎn)的位置，對于生產(chǎn)工藝過程而言，一定要具有典型性、代表性，否則將失去測量與控制的意義。

1.1.2 插入深度

熱電偶插入被測溫場時(shí)，沿著傳感器的長度方向?qū)a(chǎn)生熱流。當(dāng)環(huán)境溫度低時(shí)就會(huì)有熱損失。致使熱電偶與被測對象的溫可度不一致而產(chǎn)生測溫誤差?？傊?，由熱傳導(dǎo)而引起的誤差，與插入深度有關(guān)。而插入深度又與保護(hù)管材質(zhì)有關(guān)。金屬保護(hù)管因其導(dǎo)熱性能好，其插入深度應(yīng)該深一些（約為直徑的15倍），陶瓷材料絕熱性能好，可插入淺一些。

1.2 響應(yīng)時(shí)間的影響

接觸法測溫的基本原理是測溫元件要與被測對象達(dá)到熱平衡。因此，在測溫時(shí)需要保持一定時(shí)間，才能使兩者達(dá)到熱平衡。而保持時(shí)間的長短，同測溫元件的熱響應(yīng)時(shí)間有關(guān)。而熱響應(yīng)時(shí)間主要取決于傳感器的結(jié)構(gòu)及測量條件，差別極大。對于氣體介質(zhì)，尤其是靜止氣體，至少應(yīng)保持30分鐘以上才能達(dá)到平衡，航標(biāo)中規(guī)定每個(gè)檢測點(diǎn)的保溫時(shí)間也要30分鐘；對于液體而言，最快也要在10分鐘以上。

對于溫度不斷變化的被測場所，尤其是瞬間變化過程，全過程僅1s，則要求傳感器的響應(yīng)時(shí)間在毫秒級(jí)。因此，普通的溫度傳感器不僅跟不上被測對象的溫度變化速度出現(xiàn)滯后，而且也會(huì)因達(dá)不到熱平衡而產(chǎn)生測量誤差。最好選擇響應(yīng)快的傳感器。對熱電偶而言除受保護(hù)管影響外，熱電偶的測量端直徑也是其主要因素，即偶絲越細(xì)，測量端直徑越小，其熱影響時(shí)間越短。

1.3 熱輻射的影響

插入爐內(nèi)用于測溫的熱電偶，將被高溫物體發(fā)出的熱輻射加熱。假定爐內(nèi)氣體是透明的，而且，熱電偶與爐壁的溫差較大時(shí)，將因能量交換而產(chǎn)生測溫誤差，為了減少熱輻射誤差，應(yīng)增大熱傳導(dǎo)，并使?fàn)t壁溫度盡可能接近熱電偶的溫度。另外，在安裝時(shí)還應(yīng)注意：1、熱電偶安裝位置應(yīng)盡可能避開從固體發(fā)出的熱輻射，使其不能輻射到熱電偶表面。2、熱電偶最好帶有熱輻射遮蔽套。

1.4 熱阻抗增加的影響

在高溫下使用的熱電偶，如果被測介質(zhì)為氣態(tài)，那么保護(hù)管表面沉積的塵土等將燒熔在表面上，使保護(hù)管的熱阻抗增大；如果被測介質(zhì)是熔體，在使用過程中將有爐渣沉積，不僅增加了熱電偶的響應(yīng)時(shí)間，而且還使指示溫度偏低。因此，除了定期檢定外，為了減少誤差，經(jīng)常抽檢也是必要的。

2 熱電偶測溫應(yīng)注意的事項(xiàng)

2.1 熱電偶偶絲不均質(zhì)影響：

2.1.1 熱電偶材質(zhì)本身不均質(zhì)

熱電偶在計(jì)量部門檢定時(shí)，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，確切地說只能體現(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(dāng)熱電偶的長度較長時(shí)，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)回路定律，測量結(jié)果與長度無關(guān)。然而，任何一個(gè)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，溫度梯度常常是不規(guī)則的，在整個(gè)回路中也不一定保持一個(gè)方向，同時(shí)大小和位置也是不斷變化的，偶絲必須在其整個(gè)長度范圍內(nèi)保持均勻，這樣獲得的電勢信號(hào)才可信。

2.1.2 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(dòng)勢能滿足要求，但是，經(jīng)過時(shí)效和污染等情況可能改變熱電偶的均勻性，反復(fù)加工、彎曲致使熱電偶產(chǎn)生加工畸變，也將使其失去均質(zhì)性，而且使用中熱電偶長期處于高溫下也會(huì)因偶絲的劣化而引起熱電動(dòng)勢變化，當(dāng)偶絲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(dòng)勢疊加在總熱電動(dòng)勢中而出現(xiàn)測量誤差。鎧裝熱電偶在這方面有很好的優(yōu)勢，工作時(shí)偶絲的均勻性不易變化。

3 熱電偶劣化與使用壽命

3.1 熱電偶的劣化

由金屬或合金構(gòu)成的熱電偶，在高溫下其內(nèi)部晶粒要逐漸長大。同時(shí)合金中含有少量雜質(zhì)，其位置或形狀也將發(fā)生變化，而且，對周圍環(huán)境中的還原或氧化性氣體也要發(fā)生反應(yīng)。伴隨上述變化，熱電偶的熱電動(dòng)勢也將極其敏感的發(fā)生變化。因此熱電偶的劣化現(xiàn)象是不可避免的。

3.2 熱電偶的使用壽命

熱電偶的劣化是一個(gè)量變過程，對其定量很困難，它將隨熱電偶的種類、直徑、使用溫度、氣氛和時(shí)間的不同而變化。熱電偶的使用壽命是指熱電偶劣化發(fā)展到超過允許誤差。

3.2.1 裝配式熱電偶的壽命

我國標(biāo)準(zhǔn)中僅對熱電偶的穩(wěn)定性有要求，即規(guī)定在某一溫度下經(jīng)200h使用前后熱電動(dòng)勢的變化范圍。但是，尚未發(fā)現(xiàn)對使用壽命有規(guī)定，只有在計(jì)量部門判定不合格時(shí)才停止使用。轉(zhuǎn)包生產(chǎn)用的工作用廉金屬熱電偶一般只要求使用一次。

在實(shí)際使用時(shí)，裝配式熱電偶通常有保護(hù)管，只有在特殊情況下才裸絲使用。因此，在多數(shù)場合下，保護(hù)管的壽命決定了熱電偶?jí)勖犭娕嫉膶?shí)際使用壽命的判斷，必須是通過長期收集、積累實(shí)際使用狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，才有可能給出較準(zhǔn)確的結(jié)果。

3.2.2 鎧裝熱電偶的壽命

由于鎧裝熱電偶有套管保護(hù)與外界環(huán)境隔絕，因此套管材質(zhì)對鎧裝熱電偶的壽命影響很大，必須根據(jù)用途選擇熱電偶絲及金屬套管。當(dāng)材質(zhì)選定后，其壽命又隨著鎧裝熱電偶直徑的增大而增加。鎧裝熱電偶同裝配式熱電偶相比，雖有許多優(yōu)點(diǎn)，但很容易發(fā)生劣化。

4 真空爐和氣氛保護(hù)爐的測試

真空爐和氣氛保護(hù)爐，由于要與外界大氣環(huán)境隔絕，增加了熱電偶引線的難度。包括熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的回路中所有的連接器，插孔、插座等接插件的熱電特性要與使用的熱電偶一致。

為避免氣氛的影響，最好使用鎧裝熱電偶。近幾年隨著高溫爐的不斷發(fā)展，對鎧裝貴金屬熱電偶的需求越來越多。為降低成本，很多鎧裝貴金屬熱電偶的套管都使用高溫合金鋼材料，但這樣會(huì)導(dǎo)致貴金屬偶絲迅速失效。為保證傳感器性能穩(wěn)定，應(yīng)該使用貴金屬合金作套管材料，選用高純度的絕緣材料，并且在加工時(shí)要注意清潔和干燥，避免引入雜質(zhì)。

5 結(jié)術(shù)語

熱電偶是在科研、生產(chǎn)中最常用的溫度傳感器，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是，使用中不注意仍然會(huì)產(chǎn)生較大測量誤差。本文主要通過對使用中容易出現(xiàn)的問題，詳細(xì)探討了測溫點(diǎn)的選擇、熱電偶的插入深度、響應(yīng)時(shí)間及熱輻射等產(chǎn)生誤差的主要原因，并指出熱電偶不均度、熱電偶使用中應(yīng)注意的問題，對提高測量精度，延長熱電偶使用壽命有一定幫助。

參考文獻(xiàn)

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