熱電偶使用影響因素研究

葛紀全

[摘 要]測溫系統(tǒng)中，熱電偶已經(jīng)成為最常用的溫度傳感器，因其結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜被廣泛的應(yīng)用在各個生產(chǎn)領(lǐng)域。熱電偶是由兩種不同材料的均質(zhì)導(dǎo)體組成，應(yīng)用熱電效應(yīng)這一原理來實現(xiàn)溫度測量。在檢測和使用過程中，由于安裝或使用方法不當會出現(xiàn)各種問題。本文主要對熱電偶的物理性能及材料等方面做了簡要說明，對熱電偶的檢測和使用中遇到的實際問題做了解答。

[關(guān)鍵詞]熱電偶；熱輻射；氧化性；保護管。

中圖分類號：TU473 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）37-0258-01

0 引言

熱電偶是一種感溫元件，是一次儀表。它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢——熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。

1 測量誤差的主要影響因素

1.1 插入深度的影響

1.1.1 測溫點的選擇

熱電偶的安裝位置，即測溫點的選擇是最重要的。測溫點的位置，對于生產(chǎn)工藝過程而言，一定要具有典型性、代表性，否則將失去測量與控制的意義。

1.1.2 插入深度

熱電偶插入被測溫場時，沿著傳感器的長度方向?qū)a(chǎn)生熱流。當環(huán)境溫度低時就會有熱損失。致使熱電偶與被測對象的溫可度不一致而產(chǎn)生測溫誤差。總之，由熱傳導(dǎo)而引起的誤差，與插入深度有關(guān)。而插入深度又與保護管材質(zhì)有關(guān)。金屬保護管因其導(dǎo)熱性能好，其插入深度應(yīng)該深一些（約為直徑的15倍），陶瓷材料絕熱性能好，可插入淺一些。

1.2 響應(yīng)時間的影響

接觸法測溫的基本原理是測溫元件要與被測對象達到熱平衡。因此，在測溫時需要保持一定時間，才能使兩者達到熱平衡。而保持時間的長短，同測溫元件的熱響應(yīng)時間有關(guān)。而熱響應(yīng)時間主要取決于傳感器的結(jié)構(gòu)及測量條件，差別極大。對于氣體介質(zhì)，尤其是靜止氣體，至少應(yīng)保持30分鐘以上才能達到平衡，航標中規(guī)定每個檢測點的保溫時間也要30分鐘；對于液體而言，最快也要在10分鐘以上。

對于溫度不斷變化的被測場所，尤其是瞬間變化過程，全過程僅1s，則要求傳感器的響應(yīng)時間在毫秒級。因此，普通的溫度傳感器不僅跟不上被測對象的溫度變化速度出現(xiàn)滯后，而且也會因達不到熱平衡而產(chǎn)生測量誤差。最好選擇響應(yīng)快的傳感器。對熱電偶而言除受保護管影響外，熱電偶的測量端直徑也是其主要因素，即偶絲越細，測量端直徑越小，其熱影響時間越短。

1.3 熱輻射的影響

插入爐內(nèi)用于測溫的熱電偶，將被高溫物體發(fā)出的熱輻射加熱。假定爐內(nèi)氣體是透明的，而且，熱電偶與爐壁的溫差較大時，將因能量交換而產(chǎn)生測溫誤差，為了減少熱輻射誤差，應(yīng)增大熱傳導(dǎo)，并使爐壁溫度盡可能接近熱電偶的溫度。另外，在安裝時還應(yīng)注意：1、熱電偶安裝位置應(yīng)盡可能避開從固體發(fā)出的熱輻射，使其不能輻射到熱電偶表面。2、熱電偶最好帶有熱輻射遮蔽套。

1.4 熱阻抗增加的影響

在高溫下使用的熱電偶，如果被測介質(zhì)為氣態(tài)，那么保護管表面沉積的塵土等將燒熔在表面上，使保護管的熱阻抗增大；如果被測介質(zhì)是熔體，在使用過程中將有爐渣沉積，不僅增加了熱電偶的響應(yīng)時間，而且還使指示溫度偏低。因此，除了定期檢定外，為了減少誤差，經(jīng)常抽檢也是必要的。

2 熱電偶測溫應(yīng)注意的事項

2.1 熱電偶偶絲不均質(zhì)影響：

2.1.1 熱電偶材質(zhì)本身不均質(zhì)

熱電偶在計量部門檢定時，按規(guī)程要求，插入檢定爐內(nèi)的深度只有300mm。因此每支熱電偶的檢定結(jié)果，確切地說只能體現(xiàn)或主要體現(xiàn)出從測量端開始300mm長偶絲的熱電行為，然而，當熱電偶的長度較長時，則大部分偶絲處于高溫區(qū)，如果熱電偶絲是均質(zhì)的，那么依據(jù)均質(zhì)回路定律，測量結(jié)果與長度無關(guān)。然而，任何一個熱電偶絲并非均質(zhì)，尤其是廉金屬熱電偶絲其均質(zhì)性較差，又處于具有溫度梯度的場合，溫度梯度常常是不規(guī)則的，在整個回路中也不一定保持一個方向，同時大小和位置也是不斷變化的，偶絲必須在其整個長度范圍內(nèi)保持均勻，這樣獲得的電勢信號才可信。

2.1.2 熱電偶絲經(jīng)使用后產(chǎn)生的不均質(zhì)

對于新制的熱電偶，即使是不均勻熱電動勢能滿足要求，但是，經(jīng)過時效和污染等情況可能改變熱電偶的均勻性，反復(fù)加工、彎曲致使熱電偶產(chǎn)生加工畸變，也將使其失去均質(zhì)性，而且使用中熱電偶長期處于高溫下也會因偶絲的劣化而引起熱電動勢變化，當偶絲劣化的部分處于具有溫度梯度的場所，也將產(chǎn)生寄生電動勢疊加在總熱電動勢中而出現(xiàn)測量誤差。鎧裝熱電偶在這方面有很好的優(yōu)勢，工作時偶絲的均勻性不易變化。

3 熱電偶劣化與使用壽命

3.1 熱電偶的劣化

由金屬或合金構(gòu)成的熱電偶，在高溫下其內(nèi)部晶粒要逐漸長大。同時合金中含有少量雜質(zhì)，其位置或形狀也將發(fā)生變化，而且，對周圍環(huán)境中的還原或氧化性氣體也要發(fā)生反應(yīng)。伴隨上述變化，熱電偶的熱電動勢也將極其敏感的發(fā)生變化。因此熱電偶的劣化現(xiàn)象是不可避免的。

3.2 熱電偶的使用壽命

熱電偶的劣化是一個量變過程，對其定量很困難，它將隨熱電偶的種類、直徑、使用溫度、氣氛和時間的不同而變化。熱電偶的使用壽命是指熱電偶劣化發(fā)展到超過允許誤差。

3.2.1 裝配式熱電偶的壽命

我國標準中僅對熱電偶的穩(wěn)定性有要求，即規(guī)定在某一溫度下經(jīng)200h使用前后熱電動勢的變化范圍。但是，尚未發(fā)現(xiàn)對使用壽命有規(guī)定，只有在計量部門判定不合格時才停止使用。轉(zhuǎn)包生產(chǎn)用的工作用廉金屬熱電偶一般只要求使用一次。

在實際使用時，裝配式熱電偶通常有保護管，只有在特殊情況下才裸絲使用。因此，在多數(shù)場合下，保護管的壽命決定了熱電偶壽命。對熱電偶的實際使用壽命的判斷，必須是通過長期收集、積累實際使用狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，才有可能給出較準確的結(jié)果。

3.2.2 鎧裝熱電偶的壽命

由于鎧裝熱電偶有套管保護與外界環(huán)境隔絕，因此套管材質(zhì)對鎧裝熱電偶的壽命影響很大，必須根據(jù)用途選擇熱電偶絲及金屬套管。當材質(zhì)選定后，其壽命又隨著鎧裝熱電偶直徑的增大而增加。鎧裝熱電偶同裝配式熱電偶相比，雖有許多優(yōu)點，但很容易發(fā)生劣化。

4 真空爐和氣氛保護爐的測試

真空爐和氣氛保護爐，由于要與外界大氣環(huán)境隔絕，增加了熱電偶引線的難度。包括熱電偶和補償導(dǎo)線的回路中所有的連接器，插孔、插座等接插件的熱電特性要與使用的熱電偶一致。

為避免氣氛的影響，最好使用鎧裝熱電偶。近幾年隨著高溫爐的不斷發(fā)展，對鎧裝貴金屬熱電偶的需求越來越多。為降低成本，很多鎧裝貴金屬熱電偶的套管都使用高溫合金鋼材料，但這樣會導(dǎo)致貴金屬偶絲迅速失效。為保證傳感器性能穩(wěn)定，應(yīng)該使用貴金屬合金作套管材料，選用高純度的絕緣材料，并且在加工時要注意清潔和干燥，避免引入雜質(zhì)。

5 結(jié)術(shù)語

熱電偶是在科研、生產(chǎn)中最常用的溫度傳感器，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是，使用中不注意仍然會產(chǎn)生較大測量誤差。本文主要通過對使用中容易出現(xiàn)的問題，詳細探討了測溫點的選擇、熱電偶的插入深度、響應(yīng)時間及熱輻射等產(chǎn)生誤差的主要原因，并指出熱電偶不均度、熱電偶使用中應(yīng)注意的問題，對提高測量精度，延長熱電偶使用壽命有一定幫助。

參考文獻

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