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用工业热电偶测量导致误差的因素有哪些

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发布时间:2017-7-26 10:03:10  浏览次数:

       热电偶的技术优势:

       1.热电偶测温范围宽,性能比拟稳定;

       2.丈量精度高,热电偶与被测对象直接接触,不受中间介质的影响;

       3.热响应时间快,热电偶对温度变化反响灵活;

       4.丈量范围 大,热电偶从-40~+ 1600℃ 均可连续测温;

       5.热电偶性能牢靠, 机械强度好;

       6.运用寿命长,装置便当。

       在温度测温系统中,最常用的温度传感器一般是热电偶,但现场人员认为热电偶两根线结构简单。热电偶在使用前如果不进行测试或不能正确使用,在现场使用中会出现各种问题。例如:

       安装或使用不当,将会引起较大的测量误差,甚至检定合格的热电偶也会因操作不当,在使用时不合格,在渗碳等还原性气氛中,如果不注意,K型热电偶也会因选择性氧化而超差。为了提高测量精度,减少测量误差,延长热电偶使用寿命,要求使用者不仅应具备仪表方面的操作技能,而且还应具有物理、化学及材料等多方面知识。

       热电偶在温度测量担当着不可或缺的角色,对于影响测量误差的主要因素有:

       1,插入深度的影响

       (1)测温点的选择即热电偶的安装位置,测温点的选择是最重要的。测温点的位置,对于生产工艺过程而言,一定要具有典型性、代表性,否则将失去测量与控制的意义。

       (2)插入深度:热电偶插入被测场所时,沿着传感器的长度方向将产生热流。当环境温度低时就会有热损失。致使热电偶与被测对象的温度不一致而产生测温误差。总之,由热传导而引起的误差,与插入深度有关。而插入深度又与保护管材质有关。金属保护管因其导热性能好,其插入深度应该深一些(约为直径的1520倍),陶瓷材料绝热性能好,可插入浅一些(约为直径的10-15倍)。对于工程测温,其插入深度还与测量对象是静止或流动等状态有关,如流动的液体或高速气流温度的测量,将不受上述限制,插入深度可以浅一些,具体数值应由实验确定。

       2、响应时间的影响

       接触法测温的基本原理是测温元件要与被测对象达到热平衡。因此,在测温时需要保持一定时间,才能使两者达到热平衡。而保持时间的长短,同测温元件的热响应时间有关。而热响应时间主要取决于传感器的结构及测量条件,差别极大。对于气体介质,尤其是静止气体,至少应保持30min以上才能达到平衡;对于液体而言,最快也要在5min以上。对于温度不断变化的被测场所,尤其是瞬间变化过程,全过程仅1秒钟,则要求传感器的响应时间在毫秒级。因此,普通的温度传感器不仅跟不上被测对象的温度变化速度出现滞后,而且也会因达不到热平衡而产生测量误差。最好选择响应快的传感器。对热电偶而言除保护管影响外,热电偶的测量端直径也是其主要因素,即偶丝越细,测量端直径越小,其热响应时间越短。测温元件热响应误差可通过下式确定[1]。Δθ=Δθ0exp(-t/τ)(21)式中t测量时间S,Δθ在t时刻,测温元件引起的误差,K或℃Δθ0“t=0”时刻,测温元件引起的误差,K型热电偶或℃τ时间常数Se自然对数的底(2.718)因此,当t=τ时,则Δθ=Δθ0/e即为0.368,如果当t=2τ时,则Δθ=Δθ0/e2即为0.135。当被测对象的温度,以一定的速度α(k/s或℃/s)上升或下降时,经过足够的时间后,所产生的响应误差可用下式表示:Δθ∞=-ατ(22)式中Δθ∞经过足够时间后,测温元件引起的误差。由式(22)可以看出,响应误差与时间常数(τ)成正比。为了提高检定效率许多企业采用自动检定装置,对入厂热电偶进行检定,但是,该装置也并非十分完善。二汽变速箱厂热处理车间就发现如果在400℃点的恒温时间不够,达不到热平衡,就容易发生误判。

       3,热辐射的影响:

       插入炉内用于测温的热电偶,将被高温物体发出的热辐射加热。假定炉内气体是透明的,而且热电偶与炉壁的温差较大时,将因能量交换而产生测温误差。在单位时间内,两者交换的辐射能为P,可用下式表示:P=σε(Tw4-Tt4)(23)式中σ斯忒藩波尔兹常数ε发射率Tt热电偶的温度,KTw炉壁的温度,K在单位时间内,热电偶同周围的气体(温度为T),通过对流及热传导也将发生热量交换的能量为P′P′=αA(T-Tt)(24)式中α热导率A热电偶的表面积在正常状态下,P=P′,其误差为:Tt-T=σε(Tt4-Tw4)/αА(25)对于单位面积而言其误差为Tt-T=σε(Tt4-Tw4)/α(26)因此,为了减少热辐射误差,应增大热传导,并使炉壁温度Tw,尽可能接近热电偶的温度Tt。

       热阻抗增加的影响在高温下使用的热电偶,如果被测介质为气态,那么保护管表面沉积的灰尘等将烧熔在表面上,使保护管的热阻抗增大;如果被测介质是熔体,在使用过程中将有炉渣沉积,不仅增加了热电偶的响应时间,而且还使指示温度偏低。因此,除了定期检定外,为了减少误差,经常抽检也是必要的。例如,进口铜熔炼炉,不仅安测温热电偶,还配备消耗型热电偶测温装置,用于及时校准连续测温用热电偶的准确度。

       4、热电偶丝不均质影响:

       (1)热电偶材质本身不均质热电偶在计量室检定时,按规程要求,插入检定炉内的深度只有300mm。因此每支热电偶的检定结果,确切的说只能体现或主要体现出从测量端开始300mm长偶丝的热电行为,然而,当热电偶的长度较长时,则大部分偶丝处于高温区,如果热电偶丝是均质的,那么依据均质回路定则,测量结果与长度无关。然而,热电偶丝并非均质,尤其是廉金属热电偶丝其均质性较差,又处于具有温度梯度的场合,那么其局部将产生热电动势,该电动势称为寄生电势。由寄生电势引起的误差称为不均质误差。在现有的贵金属、廉金属热电偶检定规程中,对热电偶的不均质尚未作出规定,只有在热电偶丝材标准中,对热电偶丝的不均匀性有一定要求。对廉金属热电偶采用首尾检定法求出不均匀热电动势。正规热电偶丝材生产厂,均按国家标准要求,生产出不均匀热电动势符合要求的产品。(2)热电偶丝经使用后产生的不均质对于新制的热电偶,即使是不均匀热电动势能满足要求,但是,反复加工、弯曲致使热电偶产生加工畸变,也将失去均质性,而且使用中热电偶长期处于高温下也会因偶丝的劣化而引起热电动势变化,例如:插入工业炉中的热电偶,将沿偶丝长度方向发生劣化,并随温度增高,劣化增强,当劣化的部分处于具有温度梯度的场所,也将产生寄生电动势叠加在总热电动势中而出现测量误差。作者在实践中发现有的热电偶经计量部门检定合格的产品(多为廉金属热电偶)到现场使用时却不合格。再返回到计量部门检定仍然合格,其中主要原因就是偶丝不均质引起的。生产热电偶的技术人员都切身体会到,热电偶的不合格率也随其长度的增加而增加。皆是受热电偶丝材不均质的影响。总之,由不均质即寄生电动势引起的误差,取决于热电偶丝自身的不均质程度及温度梯度的大小,对其定量极其困难。

       5、短程有序结构变化(K状态)的影响

       K型热电偶在250℃600℃温度范围内使用时,由于其显微结构发生变化,形成短程有序结构,因此将影响热电势值而产生误差,这就是所谓的K状态。它是NiCr合金特有的晶格变化,当Cr含量在530%范围内存在着原子晶格的有序无序转变。由此而引起的误差,因Cr含量及温度的不同而变化。将K型热电偶从300℃加热至800℃,每50℃取一点,测量该点电势。在450℃时偏差最大可达4℃,在350600℃范围内,均为正偏差。由于K状态的存在,使K型热电偶在升温或降温检定结果不一致,故在廉金属热电偶检定规程中明文规定检定顺序:由低温向高温逐点升温检定。而且在400℃检定点,不仅传热效果不佳,难以达到热平衡,而且,又恰好处于K状态误差最大范围。因此,对该点判定合格与否时应很慎重。NiCr合金短程有序结构变化的现象,不仅存在于K型,而且,在E型热电偶正极中也有此现象。但是,作为变化量E型热电偶仅为K型的2/3。总之,K状态与温度、时间有关,当温度分布或热电偶位置变化时,其偏差也会发生很大变化。故难以对偏差大小作出准确评价。

       6、铠装热电偶的分流误差:

       (1)分流误差瓦轴集团渗碳炉用铠装热电偶,仅使用一周就不准了。为探讨原因,作者曾到现场考察,但未发现异常,只好从炉子上取下来经计量室检定结果合格。那么问题何在呢?最后,根据该支热电偶的现场安装特点,经研究发现,上述问题是铠装热电偶的分流误差造成的。所谓分流误差即用铠装热电偶测量炉温时,当热电偶中间部位有超过800°C的温度分布存在时,因其绝缘电阻下降,热电偶示值出现异常的现象,称为分流误差。依据均质回路定则,用热电偶测温只与测量端与参考端两端温度有关,与中间温度分布无关。可是由于铠装热电偶的绝缘物是粉末状MgO,温度每升高100°C,其绝缘电阻下降一个数量级,当中间部位温度较高时,必定有漏电流产生,致使在热电偶输出电势中有分流误差出现。

       ①K型与S型相比,K型热电偶丝电阻比S型电阻大,故更容易产生分流误差。

       ②外径相同的铠装热电偶,热电偶丝越细,越容易产生分流误差。

       (2)分流误差产生的条件将铠装热电偶水平插入炉内,其规格及实验条件为:直径ф4.8mm,长度为25m,中间部位加热带的长度为20m,温度为1000℃。本次实验中,热电偶的测量端与中间部位的温差为200℃。如果测量端温度高于中间部位,则产生负误差;相反,则产生正误差。如果两者的温差为200℃,那么,分流误差约为100℃。这是绝对不能忽视的,分流误差的产生条件与铠装热电偶种类和直径等因素有关[2],

       7、分流误差的影响因素及对策:

       高温下铠装热电偶产生分流误差的现象,正在引起人们的重视,因此有必要了解分流误差的影响因素,并采取适当对策以减少或消除分流误差的影响。(1)铠装热电偶直径对于长度为9米的K型铠装热电偶(MgO绝缘),只将热电偶中间部位加热。实验结果表明:分流误差的大小与其直径的平方根成反比(直径过细,不遵守此规律),即直径越细,分流误差越大。当中间部位温度高于800℃时,对于ф3.2mm铠装热电偶将产生分流误差。但对于ф6.4mm及ф8mm铠装热电偶,当中间部位的温度为900℃时,仍未发现分流误差。对于ф6.4mm(热电极丝直径为ф1.4mm)与ф8mm(热电极丝直径为ф2.0mm)的铠装热电偶,当中间部位温度为1100℃时,直径为ф8mm的铠装热电偶产生的分流误差仅为ф6.4mm的一半。此数值(50%)近视于两种铠装热电偶电极丝直径的平方比(1.42/2.02),而电极丝直径平方比,即为电极丝的电阻比。因此,为了减少分流误差,应尽可能选用粗直径的铠装热电偶。

       (1)中间部位的温度如果中间部位的温度超过800℃,有可能产生分流误差,其大小将随温度的升高,呈指数关系增大。因此,除测量端外,其它部位应尽可能避免超过800℃。

       (2)中间部位加热带长度及位置当中间部位加热带温度高于800℃时,其加热带的长度越长,距离测量端越远,分流误差越大。因此,应尽可能缩短加热带长度,并且,不要在远离测量端处加热,以减少分流误差。

       (3)热电偶丝的电阻当铠装热电偶的直径相同时,分流误差将随热电偶丝的电阻增大而增加。因此,采用电阻小的热电偶丝更好。例如:直径相同的S型铠装热电偶同K型热电偶相比,其分流误差减少40%。因此,可采用S型热电偶测量炉内温场分布,费用虽高,但较准确。

       (4)绝缘电阻高温下氧化物的电阻率将随温度的升高呈指数降低,分流误差的大小主要取决于高温部分的绝缘性能,绝缘电阻越低,越容易产生分流误差。当绝缘电阻增加10倍或减少至1/10时,其分流误差也随之减少至1/10或增大10倍。为了减少分流误差,应尽可能采用直径粗的铠装热电偶,增加绝缘层厚度。如果上述措施无效时,只好采用装配式热电偶。

       8、使用气氛的影响

       (1)选择性氧化对于含Fe的NiCr合金,如果氧分压低于特定值,那么同O2亲和力大的Cr,将发生选择性氧化,这是NiCr合金特有的晶界氧化。如用显微镜观察外表面氧化层,就可以看到绿色析出物,这种现象通常称为“绿蚀”。尤其是当温度在800℃1050℃范围内,体系内又含有CO,H2等还原性气体时,K型热电偶的正极,更容易发生选择性氧化。这种因Cr含量降低而引起的热电势偏低,已成为K型热电偶在热处理行业长期使用的限制因素。如果采用的气体很纯,并且系统中不含氧,可以延长热电偶使用寿命。可是,如果热电偶丝表面有氧化层时,仍可为Cr的选择性氧化提供足够的氧。因此,在非氧化性气氛中使用时,应采用干净、抛光的偶丝。同时,应尽可能避免在带有微量氧的惰性气体或氧分压很低的空气中使用。当保护管长径比较大时(即保护管很细),由于空气循环不良,形成缺氧状态,其残余的少量氧仍可为Cr的选择性氧化提供条件。

       (2)选择性氧化的对策为了防止或减缓K型热电偶因选择性氧化而引起劣化,除了在材质方面加以改善外,还应在热电偶结构上采取相应对策:

       ①选择对氧亲和力较Cr更强的金属作为吸气剂,封入保护管内,防止Cr发生选择性氧化,也可以采用增加保护管直径或吹气的方法增加氧含量。

       ②装配式热电偶实体化。实体型渗碳炉用热电偶,具有密封结构的装配式热电偶,可防止Cr发生选择性氧化,经十几家企业多年使用证明,此方案有效。使用寿命在12个月以上,用户很满意。

       (3)使用气氛的影响热电偶的稳定性,因使用温度,气氛不同各异,对同一种传感器,如K型热电偶的最高使用温度也因直径不同而变化,直径相同的K型热电偶也因结构的不同。


标签:工业热电阻,工业热电偶

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