文/王昕

1 熱電偶的測溫條件及技術(shù)優(yōu)勢

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中的重要測控參數(shù)之一，熱電偶以其自身所具備的諸多特點(diǎn)，在工業(yè)溫度測量中得到廣泛應(yīng)用。所謂的熱電偶具體是指能夠用于直接測量溫度的測溫元件，可對溫度信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其變成熱電動(dòng)勢信號，經(jīng)電氣儀表，則可轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的實(shí)際溫度。

1.1 測溫條件

熱電偶?xì)w屬于一次儀表的范疇，是一種能夠直接對溫度進(jìn)行測量的感溫元件，通常是由兩種成分不同的導(dǎo)體構(gòu)成的閉合回路。因?qū)w的材質(zhì)不同，當(dāng)電子擴(kuò)散達(dá)到穩(wěn)定均衡之后，便會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢，若是兩端存在梯度溫度，則回路中便會(huì)有電流產(chǎn)生，并且還產(chǎn)生出熱電動(dòng)勢，而電流的大小主要與溫度差有關(guān)，即溫度差越大電流越大。當(dāng)測得熱電動(dòng)勢后，便可獲悉具體的溫度數(shù)值。從本質(zhì)的角度上講，熱電偶是可以將熱能轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢

熱電偶作為一種溫度測量裝置，之所以能夠在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，與其自身所具備的諸多技術(shù)優(yōu)勢有著密不可分的關(guān)聯(lián)。熱電偶的技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：一是這種裝置本身具有非常寬的測量范圍，其整體性能相對比較穩(wěn)定；二是熱電偶在溫度測量方面的精確度較高，由于測溫的過程中，裝置是與被測對象直接接觸，因此，并不會(huì)受到中間介質(zhì)的影響；三是熱電偶熱響應(yīng)時(shí)間比較快，從而使其對溫度變化的反應(yīng)十分靈活；四是熱電偶能夠從-40℃到+1600℃的區(qū)間范圍進(jìn)行連續(xù)測溫；五是熱電偶的結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)械強(qiáng)度高，使用壽命長，安全可靠。

2 熱電偶溫度計(jì)量的誤差原因及處置技術(shù)措施

在工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)用熱電偶對溫度進(jìn)行測量的過程中，有時(shí)會(huì)存在計(jì)量誤差，這在一定程度上影響了測溫結(jié)果的準(zhǔn)確性。為此，應(yīng)當(dāng)對誤差的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，并采取合理可行的技術(shù)措施進(jìn)行處置。

2.1 安裝與傳熱原因引起的計(jì)量誤差

通過上文的測溫條件分析可知，熱電偶在進(jìn)行溫度測量時(shí)，需要直接與被測對象接觸，換言之，使用熱電偶進(jìn)行溫度測量，必將其插入到被測介質(zhì)當(dāng)中，這樣才能使熱電偶從被測介質(zhì)中吸收熱量，從而使自身的溫度升高，并以熱輻射與熱傳導(dǎo)的方式，向低溫區(qū)散發(fā)熱量。而在測量端各處散失的熱量與氣流吸收的熱量達(dá)到平衡時(shí)，熱電偶才能準(zhǔn)確測量出介質(zhì)的溫度，并對數(shù)值進(jìn)行顯示。需要指出的一點(diǎn)是，這個(gè)溫度并不是氣流的真實(shí)溫度，因?yàn)闇y量過程中散失掉的熱量是通過氣流加熱進(jìn)行補(bǔ)償，氣流與熱電偶的測量端之間在進(jìn)行熱交換時(shí)，處于一種不平衡的狀態(tài)，所以二者的溫度也并不相同。實(shí)踐表明，熱電偶測量端與外界環(huán)境之間的傳熱越強(qiáng)，測量端與氣流之間的溫度偏差就越大。

2.1.1 熱輻射誤差的處置技術(shù)措施

由于測量端與外界環(huán)境之間存在輻射熱交換的情況，因此，會(huì)引起熱輻射誤差，主要成因是對流換熱無法達(dá)到熱平衡。針對該問題，可以通過削弱輻射換熱和加劇對流換熱的方法，進(jìn)行解決處理。具體做法如下：可在管壁上鋪設(shè)絕熱層，以此來降低管壁與熱電偶測量端之間的溫差，或是在熱電偶的工作段外部加裝一個(gè)屏蔽罩；可通過增加流體的流速或是加強(qiáng)擾動(dòng)，來增大流體的放熱系數(shù)；減小熱電偶絲的直徑，使熱電偶的熱電極與氣流之間形成跨流，這樣也能解決熱輻射引起的誤差問題。

2.1.2 導(dǎo)熱誤差的處置技術(shù)措施

使用熱電偶對溫度較高的氣流進(jìn)行測量時(shí)，因沿著熱電偶長度存在溫度梯度，所以，會(huì)使測量端沿?zé)犭姌O導(dǎo)熱，從而導(dǎo)致指示溫度與實(shí)際溫度出現(xiàn)偏離，實(shí)踐表明，導(dǎo)熱量差的越多，誤差就越大。對于此類誤差，可以采取加劇對流或是削弱導(dǎo)熱等措施進(jìn)行解決處理，具體做法如下：可以適當(dāng)增加長徑比，并將熱電偶從原本的垂直安裝，改成傾斜安裝，或是安裝在彎頭位置處，在實(shí)際安裝的過程中，必須保證熱電偶的測量端與氣流方向相對，并且要處于流速最大的部位。在選用熱電偶時(shí)，可以選擇導(dǎo)熱系數(shù)小的材料。

2.2 熱電特性不穩(wěn)定引起的計(jì)量誤差

2.2.1 污穢與應(yīng)力

通過對熱電偶的生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，對偶絲進(jìn)行加工的過程中，通常需要經(jīng)過多道的縮徑拉伸，由此不可避免地會(huì)使偶絲表面粘上一些污穢的物質(zhì)。同時(shí)，在不斷地縮徑拉伸中，偶絲的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)不均勻的應(yīng)力，雖然淬火處理時(shí)引入的應(yīng)力可以通過退火進(jìn)行消除，但若是退火質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，則會(huì)造成計(jì)量誤差，其范圍從十分之幾度到幾度不等，這個(gè)誤差主要與熱電極的溫度梯度大小有關(guān)。市面上常見的廉金屬熱電偶的偶絲在經(jīng)過退火處理后，便會(huì)交付使用，若是采用較高的溫度對此類熱電偶進(jìn)行退火則必須保證退火的溫度高于使用溫度上限，并且插入深度也要大于使用深度，這樣才能有效避免計(jì)量誤差的產(chǎn)生。此外，如果是貴金屬熱電偶，則應(yīng)當(dāng)在生產(chǎn)時(shí)，采用四硼酸鈉進(jìn)行清洗，以此來消除偶絲表面粘附的污穢及應(yīng)力，從而避免計(jì)量誤差的產(chǎn)生。

2.2.2 不均勻性

如果熱電偶采用均質(zhì)的導(dǎo)體制作而成，那么其熱電勢主要與兩端的溫度有關(guān)，若是制作熱電極的材料為非均質(zhì)，則會(huì)使熱電偶產(chǎn)生不均勻電勢，而熱電極長度的溫度梯度分布情況決定了這個(gè)不均勻電勢的大小，并且材料本身的不均勻程度也與不均勻電勢的大小有一定關(guān)聯(lián)。實(shí)踐表明，不均勻電勢引起的計(jì)量誤差可以達(dá)到30℃左右，因此，為避免這一問題引起的計(jì)量溫差，應(yīng)當(dāng)選用均質(zhì)導(dǎo)體對熱電偶進(jìn)行制作，并在使用前進(jìn)行檢驗(yàn)，確保誤差在允許范圍以內(nèi)方可使用。

2.3 參考端溫度引起的計(jì)量誤差

熱電極是熱電偶的重要組成部分之一，加工制作熱電極時(shí)選用的材料，與熱電偶的熱電動(dòng)勢大小有著非常密切的關(guān)聯(lián)。在應(yīng)用熱電偶對溫度進(jìn)行測量的過程中發(fā)現(xiàn)，參考端的溫度并不會(huì)始終保持在0℃，而是會(huì)不斷地會(huì)發(fā)生變化，這樣一來便會(huì)使儀表測得的溫度值出現(xiàn)誤差。針對這一問題，可以采取如下技術(shù)措施進(jìn)行解決處理：

2.3.1 對熱電動(dòng)勢進(jìn)行補(bǔ)正

根據(jù)中間溫度定律，熱電偶的參考端溫度為tn時(shí)，其熱電動(dòng)勢EAB（t，tn）=EAB（t，t0）-EAB（tn，t0）?；谶@一前提，在常溫條件下，通過溫度傳感器對參比端的溫度tn進(jìn)行測出，再從應(yīng)電偶分度表中查出對應(yīng)溫度下的熱電動(dòng)勢E，并將之與實(shí)測的代數(shù)進(jìn)行相加，便可得到對應(yīng)測量端溫度為t時(shí)的熱電動(dòng)勢，隨后可從分度表查得對應(yīng)的溫度，便能夠得到實(shí)際溫度。以往這種方法必須以人工查表的方式來完成，過程顯得有些繁瑣，效率不高。而隨著計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，整個(gè)補(bǔ)正過程完全可以通過應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)，簡化了流程，提高了效率，尤其是多點(diǎn)測量時(shí)，這種方法的運(yùn)用，能夠使參比端的溫度變化問題得到有效解決。只要保證測出的tn準(zhǔn)確，便可獲得準(zhǔn)確可靠的測量端溫度，基本不會(huì)產(chǎn)生計(jì)量誤差。

2.3.2 調(diào)整起始點(diǎn)

熱電偶的溫度示值通常與熱電動(dòng)勢相對應(yīng)，若是測量線路處于開路的狀態(tài)，可將熱電偶指針從零位調(diào)整到tn處，這樣便相當(dāng)于預(yù)先為其增加一個(gè)電勢。如果測量線路為閉合狀態(tài)，熱電偶輸出的熱電動(dòng)勢則會(huì)疊加，其和便是實(shí)際的測量溫度。通過調(diào)整起始點(diǎn)的方法是避免誤差產(chǎn)生的有效途徑之一，該方法的特點(diǎn)是簡單易行。

2.3.3 補(bǔ)償器補(bǔ)償

可以利用補(bǔ)償器對熱電偶參考端的溫度進(jìn)行補(bǔ)償，以此來消除計(jì)量誤差。補(bǔ)償器是一個(gè)不平衡的電橋，其三個(gè)橋臂的電阻全部采用錳銅絲以燒制的方法加工而成，因這種材料的溫度系數(shù)較小，所以其阻值并不會(huì)隨著溫度變化。當(dāng)電橋處于平衡狀態(tài)時(shí)，不會(huì)有任何的電壓輸出，如果電橋所處的溫度出現(xiàn)變化，那么橋臂電阻的阻值則會(huì)發(fā)生改變，此時(shí)會(huì)輸出不平衡的電壓，這部分電壓則可抵消熱電偶參考端溫度變化引起的熱電動(dòng)勢誤差，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。需要注意的是，因電子電位差?jì)的測量橋路自帶溫度補(bǔ)償功能，所以在應(yīng)用其進(jìn)行溫度測量時(shí)，不用調(diào)整至起始點(diǎn)。

3 結(jié)論

綜上所述，熱電偶在使用過程中，由于受到各種因素的影響，常常會(huì)出現(xiàn)計(jì)量誤差，由此導(dǎo)致溫度測量結(jié)果的準(zhǔn)確性大幅度降低。為此，應(yīng)當(dāng)對引起計(jì)量誤差的主要原因進(jìn)行分析，并采取合理可行的方法和技術(shù)措施，對誤差問題進(jìn)行解決處理，從而最大限度地降低誤差的產(chǎn)生幾率，提高熱電偶溫度計(jì)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。