武雪寶
【摘要】在溫度計(jì)量儀表中,溫度傳感器是其核心的部分,有著十分繁多的品種。溫度的計(jì)量,不管采用任何一種計(jì)量儀器,都需要滿足準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)和數(shù)值穩(wěn)定的要求,并且不能夠被外界諸多不利因素的影響。對于熱電偶溫度計(jì),如何才能在使用中達(dá)到很高的精度,這是設(shè)計(jì)人員急切需要解決的問題。在熱電偶溫度計(jì)的使用中,計(jì)量準(zhǔn)確度會受到諸多干擾因素的影響。文章主要對其計(jì)量準(zhǔn)確度的影響因素展開分析。
【關(guān)鍵詞】熱電偶;計(jì)量;準(zhǔn)確度;影響因素
在眾多的計(jì)量參數(shù)中,很多參數(shù)是需要被準(zhǔn)確計(jì)量的,溫度就是其中之一。以計(jì)量方式來進(jìn)行劃分,一般可以分為兩類,接觸以及非接觸式;如果按照材料和特性來劃分,一般可以分為本文提到的熱電偶以及熱電阻這兩種。
在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中,上述幾種溫度計(jì)量儀表中,熱電偶的優(yōu)點(diǎn)較為突出,如制造簡單,計(jì)量方便等,都為其在工業(yè)溫度計(jì)量中的廣泛應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。在作者多年實(shí)踐的基礎(chǔ)之上,通過大量閱讀相關(guān)文獻(xiàn),對熱電偶計(jì)量誤差進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)。
1.熱電偶測溫基本原理
在熱電偶溫度計(jì)中,由感溫元件以及外部的保護(hù)裝置構(gòu)成,在感溫元件中,通過將不同材料的兩種導(dǎo)體或者是半導(dǎo)體A以及B焊接,連接成一個(gè)閉合回路。如果二者之間的執(zhí)著點(diǎn)之間出現(xiàn)了溫差,二者就會出現(xiàn)電動勢,在整個(gè)回路中就會出現(xiàn)一個(gè)大小電流,這樣就被稱為熱電效應(yīng)。通過電氣儀表的作用之后,電流會轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y介質(zhì)的溫度,熱電偶溫度計(jì)的主要工作原理就是這一效應(yīng)。
2.熱電偶溫度計(jì)量準(zhǔn)確度的主要影響因素
2.1 測溫點(diǎn)的選擇。對熱電偶進(jìn)行安裝,選擇測溫點(diǎn)是十分重要的。測溫點(diǎn)的位置選擇,對于整個(gè)生產(chǎn)過程來說,需要有特殊的意義,要有代表性,如果不能選擇這樣的位置,計(jì)量以及控制的意義將不復(fù)存在。
2.2 插入深度的影響。將熱電偶放入到被測場地,傳感器的長度方向就會出現(xiàn)熱流。如果環(huán)境的溫度比較低,熱流會被損失。使得最終熱電偶表現(xiàn)出的溫度與被測對象的溫度不相同,從而導(dǎo)致測溫誤差。熱傳導(dǎo)帶來的誤差,和放入的深度相關(guān)。插入深度方面,又受到了保護(hù)管材質(zhì)的影響。金屬性能的導(dǎo)熱性能比較好,所以需要將其放入更深;而陶瓷性質(zhì)的材料有較好的絕熱性,需要將其插入較淺一些。工程測溫中的插入深度,除了上述一些影響因素在之后,還會受到計(jì)量對象的狀態(tài)等相關(guān)因素的影響。當(dāng)被測物體為流動液體時(shí),就不需要被上述的影響因素限制,可以講插入深度減少一些,在實(shí)驗(yàn)中將具體的數(shù)值進(jìn)行確定。
2.3 響應(yīng)時(shí)間的影響。當(dāng)測溫元件和被測對象之間達(dá)到熱平衡,就是接觸法測溫的基本原理。所以測溫時(shí),需要有一定的事件才能夠讓二者之間實(shí)現(xiàn)熱平衡。保持時(shí)間市場還是短,主要由測溫元件的熱響應(yīng)時(shí)間決定。這一時(shí)間的取決條件為傳感器的結(jié)構(gòu)和計(jì)量條件,不同的條件導(dǎo)致了很大的差別。如果為氣體介質(zhì),且為靜止,保持的時(shí)間要達(dá)到30分鐘才可以。而如果是液體的,只需要五分鐘以上就可以了。在被測場所中,溫度是不斷變化的,瞬間變化過程時(shí)間很短,僅僅為一秒,所以對于傳感器的要求需要達(dá)到ms級別。所以,如果溫度傳感器比較普通,那么被測對象的溫度變化速度將很難跟上,會出現(xiàn)滯后現(xiàn)象,另外熱平衡達(dá)不到之后也會帶來計(jì)量誤差。因此在對傳感器進(jìn)行選擇時(shí),需要選擇相應(yīng)比較快的。對熱電偶的響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生影響的不僅僅是保護(hù)管,另外計(jì)量端直徑也是一個(gè)重要的影響因素。如果偶絲較細(xì),那么這一數(shù)值將越小,響應(yīng)時(shí)間當(dāng)然比較短。被測對象的溫度,在溫度上升和下降方面以α(k/s或℃/s)速度進(jìn)行時(shí),在一段時(shí)間之后,相應(yīng)誤差的計(jì)算公式為Δθ∞=-αT,Δθ∞:一段足夠的時(shí)間之后,測溫元件會出現(xiàn)誤差。從上述公式來看,時(shí)間常數(shù)(T)和相應(yīng)誤差之間成正比關(guān)系。
2.4 熱輻射的影響
在爐中進(jìn)行測溫工作的熱電偶,高溫物體會產(chǎn)生熱輻射,引起熱電偶加熱現(xiàn)象。如果爐內(nèi)的氣體假定為透明的,熱電偶和爐壁之間的溫差比較大時(shí),那么能量交換之后也會帶來測溫方面的誤差。
所以想要減少這部分誤差,需要將熱傳導(dǎo)增加,讓爐壁的溫度和熱電偶溫度接近。此外,安裝過程中需要特別注意,熱電偶的具體安放位置需要與固體發(fā)出的熱輻射錯(cuò)開,固體的熱輻射不能直達(dá)熱電偶的表面,需要時(shí)將熱電偶外部加入熱輻射遮蔽套。
2.5 熱阻抗增加的影響
熱電偶在高溫下工作,被測介質(zhì)如果是氣體,那么保護(hù)管表面的灰塵會在表面上被燒熔,保護(hù)管的熱阻抗將會增加。如果介質(zhì)是熔體,那么在操作中會出現(xiàn)爐渣的沉淀,使得熱電偶響應(yīng)時(shí)間被增加,指示溫度方面會變低。所以在定期的檢查之外,為了減少誤差,需要對其進(jìn)行不定時(shí)的抽檢。所以在生產(chǎn)的現(xiàn)場,連續(xù)測溫?zé)犭娕夹枰话惭b,還需要配備好消耗型熱電偶測溫裝備,以方便對前者進(jìn)行準(zhǔn)確度的校準(zhǔn)。
2.6 熱電偶絲不均質(zhì)引起誤差
熱電偶有著不均質(zhì)的材質(zhì)。廠家在進(jìn)行偶絲生產(chǎn)時(shí),通常會因?yàn)闇囟鹊仍?,?dǎo)致竹節(jié)狀出現(xiàn),粗細(xì)并不均勻,甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的打卷現(xiàn)象。另外在后期的加工中會出現(xiàn)其他問題,對熱電偶進(jìn)行的反復(fù)加工,會讓熱電偶出現(xiàn)畸變,均質(zhì)性也會失去。在進(jìn)行測溫工作時(shí),很多偶絲位于高溫區(qū),若偶絲為均質(zhì)性,那么根據(jù)均質(zhì)回路定則,長度和計(jì)量的結(jié)果沒有關(guān)聯(lián)。如果不是均值性,并且處于有溫度變化的場所,那么局部就會出現(xiàn)寄生熱電動勢,最后導(dǎo)致的誤差就被認(rèn)為是不均質(zhì)誤差。
2.7 計(jì)量系統(tǒng)漏電影響
如果出現(xiàn)了電流泄露,主要是因?yàn)榻^緣不良。這對于熱電偶測溫是否準(zhǔn)確有著極大的影響,將熱電勢歪曲,儀表顯示方面則會失真,更為嚴(yán)重的是不能開展正常工作。漏電帶來的誤差表現(xiàn)在多個(gè)方面,如熱電極絕緣瓷管沒有很好的絕緣電阻,熱電流會旁路,熱電偶端電壓下降,但是影響并不會太大。電測設(shè)備如果出現(xiàn)漏電,也會出現(xiàn)上述現(xiàn)象,最終出現(xiàn)誤差。
3.結(jié)論
從上述的不穩(wěn)定因素的論述來看,這些都是熱電偶計(jì)量溫度時(shí),必須要認(rèn)識的。通過對熱電偶溫度計(jì)量準(zhǔn)確度的影響因素分析,總結(jié)出在熱電偶的制作和使用中,現(xiàn)場插入位置及深度、響應(yīng)時(shí)間、熱輻射、熱阻抗增加、熱電偶絲不均質(zhì)、計(jì)量系統(tǒng)漏電等都是影響最終溫度計(jì)量準(zhǔn)確度的因素,對于這些影響因素,在實(shí)際溫度計(jì)量中,我們只要仔細(xì)觀察,善于總結(jié)就能夠有效避免這些不必要的測量誤差,提升溫度計(jì)量的準(zhǔn)確度。
參考文獻(xiàn):
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