如何避免热电偶测量中的误差

热电偶是一种既简单又普通的温度传感器。然而，如果在应用中不注意，也会导致较大的测量误差。针对当时存在的问题，详细讨论了影响测量误差的主要因素，如热电偶插入深度、响应时间、热辐射和热阻等。指出了应用中的注意事项，如热电偶丝的不均匀性、铠装热电偶分流误差、K热电偶的选择性氧化、K条件、应用气氛、绝缘电阻和热电偶劣化等。这有助于提高热电偶的测量精度和使用寿命。

1.在现有的温度测量系统中，热电偶是一种常用的温度传感器，经常被误认为是“两线制热电偶，接起来就完了”，这与原来的情况不同。虽然热电偶结构简单，但在应用中仍存在各种问题。例如，不正确的设备或应用方法会导致较大的测量误差，甚至认证的热电偶也会因操作不当而在应用中失败。在渗碳等恢复性气氛中，如果不注意，K型热电偶会因选择性氧化而超出公差。

2.为了提高热电偶的测量精度，减少测量误差，延长热电偶的使用寿命，要求操作人员不仅要有外观上的操作技能，还要有物理、化学和材料方面的常识。作者根据多年的实践，参考相关数据，介绍了热电偶的测量误差及注意事项。3.1热电偶丝的不均匀性的影响(1)热电偶材料的不均匀性当热电偶在测量室中进行测试时，根据规定，插入测试炉的深度仅为300毫米。因此，每个热电偶的检定结果只能反映或主要反映从测量开始到结束的300毫米长均匀导线的热电实践。然而，当热电偶的长度较长时，更均匀的导线处于高温区。如果热电偶线是均匀的，那么根据均匀回路规则，测量结果与长度无关。然而，热电偶丝是不均匀的，特别是廉价的金属热电偶丝，均匀性和温度梯度差，所以局部会产生热电动势，这就是所谓的寄生电势。由寄生电势引起的误差称为异质误差。在现有的贵金属和廉价金属热电偶检定规程中，只要热电偶丝规格中对热电偶丝的不均匀性有一定的要求，就没有规定热电偶的不均匀性。对于廉价的金属热电偶，头尾验证法用于计算不均匀的热电动力。标准热电偶丝制造商均按照国家标准的要求生产热电势不均匀的符合要求的产品。(2)应用后热电偶丝的不均匀性。对于新制造的热电偶，即使不均匀的热电动力能够满足要求，重复加工和扭转也会造成热电偶的加工变形，也将失去均匀性。此外，热电偶在应用中也会因热电偶丝的劣化而改变热电动力。例如，插入工业炉中的热电偶会沿着热电偶丝的长度方向劣化，并且随着温度的升高，劣化会增加并且变得更坏。在实践中，作者发现一些热电偶被测量并且一些合格的产品(大多数是廉价的金属热电偶)在应用于现场时是不合格的。回到计量学，一些验证仍然是合格的，主要因素是不均匀的均匀丝。生产热电偶的技术人员已经意识到，热电偶的不合格率随着其长度的增加而增加。它们都受到热电偶丝异质性的影响。总之，由不均匀性(即寄生电动势)引起的误差取决于热电偶丝本身的不均匀性和温度梯度的精细度，因此极难量化。3.2铠装热电偶的分流误差(1)瓦州集团渗碳炉使用的分流误差铠装热电偶仅在一周内不允许出现。为了讨论这些因素，提交人到现场进行了调查，但没有发现任何异常情况，因此他不得不从炉子上取下，并在计量室传递验证结果。有什么问题吗？* * *最后，根据该热电偶的现场设备特点，通过研究发现上述问题是由铠装热电偶的分流误差引起的。用铠装热电偶测量炉温时，所谓的分流误差称为分流误差。当热电偶中心温度偏差超过800℃时，由于绝缘电阻降低，热电偶指示值异常。根据均匀电路原理，热电偶测温只与测量端和参考端两端的温度有关，与中心温度色散无关。然而，由于铠装热电偶的绝缘体是粉末状的氧化镁，其绝缘电阻在温度每升高100℃时就会降低一个数量级。当中心部分温度较高时，会出现漏电流，导致热电偶输出电位出现分流误差。(2)分流误差发生的条件将铠装热电偶水平插入炉内，其规格和试验条件如下:直径ф4.8毫米，长度25米，中心加热带长度20米，温度1000℃。本试验中，测量端与热电偶中心的温差为200℃。如果测量端的温度高于中心部分，则出现负误差；相反，一个积极的错误发生了。如果它们之间的温差为200℃，分流误差约为100℃。这是不可忽视的，分流误差的发生条件与铠装热电偶的类型和直径有关[2]，见表1。3.3分流误差的影响因素及对策高温下铠装热电偶的分流误差正引起人们的关注，因此有必要了解分流误差的影响因素，并采取相应的对策来减少或消除分流误差的影响。(1)铠装热电偶的直径约为9米长的k型铠装热电偶(MgO绝缘)，只有热电偶的中心部分被加热。测试结果表明，分流误差的大小与其直径的平方根成反比(直径太细，不符合这个规律)，即直径越小，分流误差越大。当中心温度高于800℃时，分流误差约为ф3.2毫米铠装热电偶。然而，对于ф6.4毫米和ф8毫米铠装热电偶，当中心温度为900℃时，没有发现分流误差。对于ф 6.4毫米(热电极丝直径为ф1.4毫米)和ф8毫米(热电极丝直径为ф2.0毫米)的铠装热电偶，当中心温度为1100℃时，直径为ф8毫米的铠装热电偶的分流误差仅为ф6.4毫米的一半，该值(50%)小于两种铠装热电偶的电极丝直径的平方比(1.42/2.02)和电极的平方比因此，为了减少分流误差，应尽可能选用大直径铠装热电偶。(2)中心部分的温度如果中心部分的温度超过800℃，可能会有分流误差，其大小将随着温度的升高而呈指数增加。因此，除测量端外，其他部分应尽量避免超过800℃。1)中央加热区的长度和位置。当中央加热区温度高于800℃时，加热区越长，离测量端越远，分流误差越大。因此，加热带的长度应尽可能缩短，加热不应远离测量端进行，以减少分流误差。(3)热电偶丝电阻当铠装热电偶直径相同时，分流误差会随着热电偶丝电阻的增加而增加。因此，最好选用低电阻的热电偶丝。例如，与K热电偶相比，相同直径的S铠装热电偶的分流误差降低了40%。因此，S型热电偶可以用来测量炉内的温度场分布，这种方法虽然昂贵但很精确。(4)高温下氧化物的电阻率随温度的升高呈指数下降，分流误差的大小主要取决于高温下的一些绝缘功能。绝缘电阻越低，分流误差就越简单。当绝缘电阻增加10倍或减少到1/10时，分流误差也减少到1/10或增加10倍。为了减少分流误差，应尽可能选用大直径铠装热电偶，以增加绝缘层厚度。如果上述措施无效，必须选择装配式热电偶。3.4短程有序结构变化的影响(K条件)当在250℃-600℃的温度范围内使用K热电偶时，由于其微观结构发生变化，形成短程有序结构，会影响热电势并产生误差，称为K条件[3]。这是镍铬合金的一种特殊晶格变化。当铬含量在5-30%范围内时，原子晶格发生有序无序的变化。由于铬含量和温度的不同，这种变化引起的误差。将K热电偶从300℃加热到800℃，每50℃取一点，测量该点的电位。在450℃时误差可达4℃，在350-600℃范围内为正误差。由于K条件的存在，K型热电偶的检定结果在升温或降温时不一致，所以廉价金属热电偶检定规程中明确规定了检定顺序:从低温到高温逐点升温。此外，在400℃的验证点，不仅传热效果不安全，难以达到热平衡，而且还存在较大的K条件误差。因此，应该谨慎判断这一点是否合格。

镍铬合金短程有序结构的变化不仅存在于K型中，也存在于E型热电偶阳极中。然而，作为一个变化量，E热电偶只有K热电偶的2/3。一般来说，钾的状况与温度和时间有关。当温度升高或热电偶位置改变时，其误差会发生很大变化。因此，很难准确评估误差。