熱電偶主要的工作機(jī)理建立在熱電效應(yīng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)將溫度變化轉(zhuǎn)化為電勢(shì)的變化進(jìn)行測(cè)量。在實(shí)際工作中，由于熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、測(cè)量方便等優(yōu)點(diǎn)，該方法成為了測(cè)量校驗(yàn)中的重要環(huán)節(jié)。然而，由于熱電偶本身的性質(zhì)和操作環(huán)節(jié)中的潛在風(fēng)險(xiǎn)，熱電偶的測(cè)量可能存在一系列誤差，直接影響到結(jié)果的輸出和合格性的判斷。因此，探索熱電偶測(cè)量結(jié)果的影響因素，利于進(jìn)一步挖掘熱電偶測(cè)量誤差產(chǎn)生的原因，并針對(duì)可能的原因進(jìn)行排查和校準(zhǔn)，有助于完善整個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)，提升工作效率，同時(shí)提高測(cè)量水平和測(cè)量準(zhǔn)確性。
對(duì)熱電偶穩(wěn)定性的排查和對(duì)誤差產(chǎn)生原因的解讀，需要建立在理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合，得到縮小誤差的方法結(jié)論。本文依據(jù)這一思路，從認(rèn)識(shí)熱電偶的性能和使用方法上著手，分別從熱電偶的熱電特性、參考端的溫度，以及操作測(cè)量系統(tǒng)三個(gè)角度，探討了可能造成測(cè)量誤差的潛在因素，以及具有針對(duì)性的處理方法。
1、熱電特性不穩(wěn)定的影響
熱電偶在使用過(guò)一段時(shí)間后，熱電特性將會(huì)明顯發(fā)生改變，主要表現(xiàn)為熱電偶的分度值隨使用時(shí)間和使用條件的不同而發(fā)生變化。當(dāng)變化顯著且超出了規(guī)定的范圍時(shí)，測(cè)出的溫度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離真實(shí)溫度，從而影響工藝過(guò)程中的溫度控制和產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成產(chǎn)品不合格和加熱設(shè)備的損壞。因此，熱電偶的穩(wěn)定性和均勻性就是熱電偶熱電特件相對(duì)穩(wěn)定程度的兩個(gè)重要指標(biāo)，而它的變化就是造成實(shí)際工作中測(cè)溫不準(zhǔn)確的主要因素。
1.1 不均勻性的影響
熱電偶的“不均勻電勢(shì)”會(huì)直接影響測(cè)溫結(jié)果。熱電偶的均勻性是指熱電偶的極材料的均勻程度。熱電偶兩熱電極若是均勻的，由相關(guān)理論可知，其熱電勢(shì)與兩端點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與熱電極長(zhǎng)度的溫度分布無(wú)關(guān)。若兩熱電極的材料不均勻，而熱電極又處于溫度梯度場(chǎng)中，則熱電偶會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加熱電勢(shì)，即“不均勻電勢(shì)”，這個(gè)不均勻電勢(shì)將會(huì)影響熱電偶回路的總熱電勢(shì)。所以說(shuō)“不均勻電勢(shì)”的存在會(huì)使熱電偶的熱電特性發(fā)生改變，從而降低了測(cè)溫的準(zhǔn)確性。
可以通過(guò)簡(jiǎn)單的架構(gòu)進(jìn)行熱電偶測(cè)溫誤差的定量計(jì)算。不均勻的熱電極可以看作是微小的異質(zhì)金屬元件的集合，每段元件是由化學(xué)成分不同的均勻的金屬元件(如圖1所示) A1，A2，A3，…，Ai及B1，B2，B3，…，Bi結(jié)合構(gòu)成的熱電偶回路。沿著各元件具有的溫度梯度，在各個(gè)金屬元件間接合點(diǎn)上的溫度分別為T1，T2，…，Tn+1。
圖1 不均勻溫差熱電偶回路
公式1：
公式2：
公式3：
公式4：
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極N的方法，可以求得電路中發(fā)生的全部溫差熱電勢(shì)E，即回路的總電勢(shì)E'(如式1)。假設(shè)A，B是均質(zhì)導(dǎo)體制成的熱電偶，可得其回路總電動(dòng)勢(shì)(如式2)。兩者之差即為不均勻?qū)w組成的熱電偶回路產(chǎn)生的測(cè)溫誤差(如式3)。由于熱電極材料Ai和A，Bi和B很接近，它們對(duì)應(yīng)各部分的塞貝克系數(shù)SAIA和SBIB可以近似地認(rèn)為是線性的，因此測(cè)溫誤差可以進(jìn)一步化簡(jiǎn)(如式4)。從理論推演可知，不均勻的熱電偶可能存在重大的測(cè)量誤差。而在具體工作中，所使用熱電偶的不均勻電勢(shì)引起的附加誤差更為明顯，有時(shí)高達(dá)30℃之多。這將嚴(yán)重地影響熱電偶的穩(wěn)定性和互換性，并直接影響溫度量值傳遞的一致性。
1.2 不均勻性的產(chǎn)生原因
造成熱電極不均性的原因很多，主要可以分為化學(xué)成分和物理狀態(tài)兩個(gè)方面。一方面，化學(xué)成分表現(xiàn)為：
①雜質(zhì)分布不均勻和成分的偏析。此原因無(wú)法避免，而且遍及熱電極的整個(gè)長(zhǎng)度。
②熱電極表面局部的金屬揮發(fā)和氧化。
③熱電極中某些元素的選擇性氧化。
④測(cè)量端長(zhǎng)期在高溫下的熱擴(kuò)散，改變了測(cè)量端附近的化學(xué)成分。
⑤環(huán)境氣氛、絕緣材料和保護(hù)管材料對(duì)熱電極局部的沾污和腐蝕。
另一方面，物理狀態(tài)表現(xiàn)為：
①應(yīng)力分布的不均勻使熱電極沿長(zhǎng)度出現(xiàn)的熱電特性不一致。
②晶體結(jié)構(gòu)的不均勻，熱電極的晶粒大小對(duì)熱電特性也會(huì)有影響。本文就其中較為重要的三點(diǎn)進(jìn)行著重闡述。
1.2.1 玷污
偶絲材料往往容易受到環(huán)境氣氛或保護(hù)管雜質(zhì)的玷污，這是造成熱電偶示值不穩(wěn)定的主要因素之一。不同程度的玷污所產(chǎn)生的附加電勢(shì)也不同，這種附加電勢(shì)將改變?cè)瓉?lái)的分度特性。具體而言，對(duì)于鉑銠10-鉑熱電偶，在使用的陶瓷套管中含有鐵的雜質(zhì)，高溫狀態(tài)下，銠絲受鐵玷污后，其熱電特性將受到影響。而當(dāng)在含硅的偶絲在高溫還原性氣氛中使用時(shí)，由于硅被還原成自由硅而與鉑銠絲化合成為鉑硅化合物，會(huì)造成偶絲變脆。檢定標(biāo)準(zhǔn)熱電偶所用的絕緣瓷管都要求用王水清洗，高溫烘烤并規(guī)定正負(fù)極的穿孔極性，在某種程度上可以控制這一偏誤的產(chǎn)生。但若在工作中把熱電極的極性穿錯(cuò)，原來(lái)穿鉑銠孔中的鉑會(huì)向鉑極滲透而改變標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電特性，從而影響熱電偶的穩(wěn)定性。
1.2.2 氧化和還原
偶絲氧化也是造成熱電偶不穩(wěn)定性的一大重要原因，例如，常用的鎳鉻-鎳硅、銅-康銅等熱電偶都能與氯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。同時(shí)，氧化造成的不穩(wěn)定影響還可能存在程度上的差別，這主要是由熱電極的不同性質(zhì)導(dǎo)致的。具體而言，如果熱電極被均勻氧化，那么氧化過(guò)程的影響對(duì)整體不均勻性的負(fù)面作用則相對(duì)有限。而如果熱電極具有擇優(yōu)氧化的性質(zhì)，則氧化過(guò)程將會(huì)直接影響偶絲的作用，例如，在低氧分壓中，鎳鉻電極中的鉻將產(chǎn)生擇優(yōu)氧化，偶絲的組合成分將會(huì)發(fā)生改變，直接影響到偶絲的作用。
1.2.3 高溫與脆化
偶絲熱電極在高溫下的揮發(fā)也是造成測(cè)量誤差的一大原因。熱電偶的偶絲材料多數(shù)是合金材料，而由于各組材料的蒸氣壓不同，所以揮發(fā)的程度也不同。當(dāng)熱電極在高溫下使用一段時(shí)間，揮發(fā)程度的差異將直接導(dǎo)致合金成分比例的改變，進(jìn)一步造成熱電勢(shì)產(chǎn)生明顯變化。
與此同時(shí)，脆化的問(wèn)題相伴而生。脆化是造成熱電偶報(bào)廢的最普通的因素。主要是由玷污、晶粒生長(zhǎng)、氧化和長(zhǎng)期體用于高溫下再結(jié)晶等多種因素導(dǎo)致的。換而言之，以上提到的諸多造成偶絲不均勻、不穩(wěn)定的因素，都可能直接或間接造成偶絲的脆化，影響電偶使用的生命周期。
總而言之，從熱電偶的生產(chǎn)過(guò)程來(lái)看，偶絲需要經(jīng)過(guò)多道縮徑拉伸，這一工序會(huì)使其表面受到玷污。物理狀態(tài)的不一致性對(duì)偶絲的塞貝克系數(shù)有影響，從而影響了熱電偶示值的穩(wěn)定性。具體到工作中，一支退火不合格或未經(jīng)退火的熱電偶被用來(lái)測(cè)溫，所造成的誤差可達(dá)十分之幾度到幾度，其準(zhǔn)確性十分存疑。這也是在實(shí)際工作中熱電偶必須退火的主要原因。退火的過(guò)程可以改善組織結(jié)構(gòu)，細(xì)化品粒，提高機(jī)械性能，消除內(nèi)應(yīng)力，并可使產(chǎn)生的組織不均勻得到一定程度的改善。
2、參考端溫度的影響
參考端的溫度是影響測(cè)量結(jié)果的重要因素。熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)的大小與熱電極材料、工作端的溫度直接相關(guān)。熱電偶的分度表和對(duì)應(yīng)分度表刻度的溫度顯示儀表，都是以熱電偶參考端溫度等于0℃為條件的。換而言之，如果參考溫度不等于0℃，盡管被測(cè)溫度恒定不變，熱電勢(shì)也會(huì)隨著參考端溫度的變化而變化。
以上結(jié)論可以通過(guò)理論公式進(jìn)行展現(xiàn)。設(shè)定被測(cè)溫度為t，參考溫度為tn，熱電勢(shì)為EAB，其變化大小可根據(jù)熱電偶的中間溫度定律求得式5。該式表示，當(dāng)參考溫度tn>0℃時(shí)，熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)減少了EAB(tn，t0)，因而將使測(cè)量?jī)x表的示值下降。
公式5：
在進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，熱電偶參考端溫度的不均勻同樣也會(huì)造成明顯的測(cè)溫誤差。根據(jù)中間導(dǎo)體定律，在熱電偶回路中，只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，那么接入中間導(dǎo)體的過(guò)程應(yīng)當(dāng)對(duì)熱電偶回路的總電勢(shì)沒有影響。換而言之，當(dāng)中間導(dǎo)體的兩端溫度不相同時(shí)，將存在引入中間導(dǎo)體造成的誤差。
同樣可以通過(guò)理論推導(dǎo)說(shuō)明這一問(wèn)題。由式6～式10可知，由于電極B偏離T0度，使得電極B與連接導(dǎo)線C構(gòu)成新的熱電偶，其誤差熱電勢(shì)為EBC(T'0，T0)。
公式6：
公式7：
公式8：
公式9：
公式10：
具體而言，假設(shè)電極B為鉑極，連接導(dǎo)線C為銅導(dǎo)線，在檢定標(biāo)準(zhǔn)熱電偶時(shí)溫度相差0.1℃，誤差熱電勢(shì)將高達(dá)-0.7μV，對(duì)結(jié)果的影響十分顯著。因此，在檢定鎳鉻-鎳硅電偶時(shí)，參考端在空氣中散熱較大。而由于電爐的熱輻射，使得參考端溫度不均勻，從而容易造成較大的測(cè)溫誤差。因此，參考端溫度不等于0℃對(duì)被測(cè)溫度的準(zhǔn)確性有十分重要的影響。在日常工作中，要使參考端溫度保特在相對(duì)準(zhǔn)確的范圍，必須采取修正或補(bǔ)償措施。
3、測(cè)量系統(tǒng)的影響
3.1 動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差
動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差是指，熱電偶的熱惰性會(huì)造成示數(shù)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)誤差。由于熱電偶本身具有熱惰性，在熱電偶插入被測(cè)介質(zhì)后，不能立即指示出被測(cè)溫度。其示值將逐漸上升，一直到測(cè)量端吸熱并放熱達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后才出現(xiàn)穩(wěn)定的示值。因此，在熱電偶插入后到示值穩(wěn)定之前的整個(gè)不穩(wěn)定過(guò)程中，熱電偶的瞬時(shí)示值與穩(wěn)定后的示值顯然存在普偏誤差。這時(shí)的結(jié)果除了有其他與穩(wěn)定性相關(guān)的誤差外，還存在由熱電偶熱惰性引入產(chǎn)生的偏差，這個(gè)誤差的存在使儀表指示值落后于被測(cè)溫度的變化。
3.2 熱電偶安裝位置的影響
熱電偶安裝位置不當(dāng)或插入深度不對(duì)時(shí)，都不能反映爐內(nèi)的真實(shí)溫度。通常而言，熱電偶的最小插入深度一般應(yīng)大于保護(hù)管外徑的810倍。但由于熱電偶的保護(hù)管與爐壁間的間隙未填充其他絕緣物質(zhì)，爐內(nèi)熱源溢出和爐外冷空氣進(jìn)入，會(huì)使得爐內(nèi)的溫度不恒定。當(dāng)熱電偶的參考端太靠近爐體時(shí)，參考端的溫度將會(huì)受到明顯影響，從而擴(kuò)大已有的誤差。
3.3 測(cè)量系統(tǒng)漏電的影響
絕緣不良是產(chǎn)生電流泄漏的主要原因，也是影響熱電偶測(cè)溫準(zhǔn)確度的核心因素之一。測(cè)量系統(tǒng)漏電能歪曲被測(cè)的熱電勢(shì)，使儀表顯示失真，甚至不能正常工作。具體而言，漏電引起的誤差表現(xiàn)在多個(gè)方面，其中最為主要的是高溫條件下絕緣體性能下降導(dǎo)致的高溫漏電。
在日常工作中，電測(cè)設(shè)備漏電也能影響工作電流旁路，使測(cè)量產(chǎn)生誤差，影響熱電勢(shì)測(cè)量漏電的原因主要來(lái)自被測(cè)系統(tǒng)的電爐。常用的加熱設(shè)備大多是阻性爐和感性爐，由于電氣加熱設(shè)備在高溫下的絕緣性能明顯降低，因而產(chǎn)生高溫漏電，形成干擾信號(hào)。熱電極絕緣瓷管的絕緣電阻較差，能使熱電流旁路、熱電偶的端電壓下降。具體而言，當(dāng)溫度升到800℃以上時(shí)，其電阻率極大地降低，絕緣性能會(huì)顯著惡化。因此，高溫下絕緣問(wèn)題造成的漏電，可能會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成很大的影響，需要修正措施的適當(dāng)干預(yù)。
4、結(jié)束語(yǔ)
隨著工藝的發(fā)展與技術(shù)的提高，對(duì)熱電偶精度的要求也將隨之提升，控制和處理測(cè)量誤差愈發(fā)重要。本文從理論和實(shí)踐兩個(gè)角度出發(fā)，對(duì)熱電偶自身的材料和性能，以及在日常測(cè)量操作中的環(huán)境氛圍等方面，全面剖析了影響熱電偶測(cè)溫誤差的三方面因素。以備在實(shí)際工作中更好地預(yù)防和解決測(cè)量誤差的問(wèn)題，從而提升工作效率，確保熱電偶檢測(cè)過(guò)程的準(zhǔn)確性，真正將理論知識(shí)落實(shí)到實(shí)踐工作層面。
作者：李偉(中國(guó)航發(fā)貴州黎陽(yáng)航空動(dòng)力有限公司檢驗(yàn)檢測(cè)事業(yè)部)
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