不均勻溫度場對熱電偶測溫的影響

摘要:論述了不均勻溫度場產生的原因,闡述了測量端接點及熱電極不均勻性的影響。
一、前言
　　熱電偶是工業上應用最廣泛的一種測溫元件,熱電偶標準化的共有七種。我公司作為鋁、鎂合金加工企業,熱處理是整個工藝過程中較為重要的環節,也就是說溫度量控制與檢測正確與否直接影響著產品的質量和性能。從測溫范圍來講屬于中低溫區，常用的熱電偶為K型鎳鉻-鎳硅熱電偶。從熱處理爐的檢測、控制與測試過程中，爐內溫度存在著--定的溫度梯度，由于該現象的存在直接影響其檢測控制精度。
二、熱電偶的工作原理
　　兩種不同性質的導體A和B在兩個端點處連接起來形成-一個閉合回路。設兩接點溫度為t和to,如圖1所示。當t和to不相等,且假設t>t0時,回路中有電動勢EA(t,t0),產生這一現象稱為熱電效應或塞貝克效應。所產生的電動勢也稱塞貝克電勢。圖1
 
　　塞貝克電勢實際是由接觸電勢和溫差電勢兩部分所組成。回路中總的熱電勢EAB(t,t0)為:
EAB(t,t0)-EAB(t)-EA(t,to)+EB(t,t0)-EAB(t0)
式中:
EAB(t)、EAB(t0)一-溫度分別t,t0時AB之間的接觸電勢
EA(t,t0)、EB(t,t0)--AB電極在兩端溫度分別為t,t0時各自所產生的溫差電勢
　　當熱點偶材料確定后,一般認為熱電極是均勻的,總電勢只與材料的電子密度有關,而電子密度不僅取決于兩種材料特性且隨溫度變化而變化,所以材料成分一定時，總熱電勢只與溫度t和t0有關,這樣　EAB(t,t0)與被測溫度T就有單值函數關系,稱為熱電偶的熱電特性。由此可知,熱電偶產生熱電勢只與兩接點溫度有關,與導體截面面積及長度無關,也與熱電極的溫度分布無關。下面具體探討工業爐不均勻溫度場給熱電偶可能帶來的影響。
三、產生不均勻溫度場的原因
　　從工業爐種類、類型看可分為各種不同的級別。如從控制精度傳遞介質,不同溫度范圍可分中低溫爐,從熱處理過程可分為淬火爐、退火爐、均熱爐、熔煉爐、加熱爐。不論是何種系列的爐子,均勻溫度量作為主要控制參數。熱力學第二定律說明了熱量在傳導過程中，即高溫向低溫傳導或低溫向高溫傳導,均要受到影響。也就是說,凡是有溫差存在的地方就會有熱傳導過程。熱交換過程可分為三種基本形式:熱傳導、對流換熱、熱輻射,單純的導熱現象只能發生在固體中,在液體或氣體中會同時發生導熱對流和輻射。
　　工業爐由于絕熱材料性能不同,被加熱部件形狀大小不同，爐內熱傳導介質循環狀態不同，被加熱介質的狀態不同,均影響著爐內溫度分布,使溫度場存在著溫度梯度,即爐內溫度空間分布存在不同的等溫面。由于爐內溫度場擾動源較多,其內溫度變化會出現不均勻性。由于不均勻性溫度場的出現直接影響著熱電偶的測溫精度。.
四、測端接點的影響
　　熱電偶測量端的構成方式有焊接.鉚接、壓接等多種形式。實際操作時,測量端出現了第三種金屬,如兩個熱電極的焊點就是另一種金屬,所以測量時應保證測量端溫度-致,以避免出現測量誤差。
　　當焊接、鉚接、壓接所制作的熱電偶其回路均可加入第三種金屬，如圖二所示,其回路總電勢EABC((t,t0)為
 
　　存在著附加熱電勢,即引入中間金屬導體后,對回路總電勢產生影響。
　　測量端接點形式各不相同,所產生誤差因素也不同,熱電偶回路中接入第三種金屬兩端溫度相同,且總回路熱電勢大小和方向不受影響,如液態金屬保證了第三種金屬溫度-致,小焊點接觸點小,可認為是處于等溫狀態,在焊接、鉚接、壓接時,應使兩電極盡量接近,接點盡量小,以減少受測量處溫度梯度的影響。為了減少熱電偶絲導熱引起被測量表面溫度場的變化應沿等溫面或等溫線輻射。
五、熱電極不均勻的影響
　　一般把沿電極絲長度方向的物理、化學性能的變化叫做熱電極的不均勻性,可分為延伸型和局部型。延伸型的不均勻性表現為在不長的熱電極.上的熱電特性的逐漸變化，產生的原因是控制過程不均勻,局部不均性表現為在不長的熱電極上的熱點特性的突然變化沒有一定的規律性,產生的原因是材料存在著雜質結晶結構發生變化,加工局部硬化。
　　把不均勻的熱電極置于不均勻的溫度場中,會產生一個附加電勢,--般稱之為不均勻熱電勢。熱電偶的塞貝克系數,即熱電率:de/dt
不均質熱電偶塞貝克系數:
SABSABO+hAB
SAB-----不均質熱電偶塞貝克系數
SABO------均質熱電偶塞貝克系數
hAB------偶的不均勻度
熱電勢為E=Eo+△E
E0-----均質熱電偶所產生的熱電勢
△E-----熱電偶的不均質誤差
　　熱電偶的熱電勢不僅取決于它的測量端和參考端的溫度值，而且與溫度沿著熱電極的分布狀態有關,熱電極的不均勻性越大,后者影響越顯著。為了探討材料不均勻性的影響，選擇存在著不均勻性問題的K型熱電偶做實驗，實驗結果表明，接入300mm時爐溫為1000℃時產生誤差3.2℃,插入340mm時，誤差為I-4℃,說明在溫度梯度越大時,熱電偶的不均勻性誤差越大。
六、結束語.
　　熱電偶采用焊接方式，其焊點質量將直接影響測量溫度的可靠性和正確率,可以通過清洗退火的途徑,來降低熱電偶的不均質誤差,清洗可清除電極表面的雜質.有機物和氧化物,退火可以消除內應力,使成分擴散而變均勻,退火應在均勻溫度場中退火,否則將會給熱電偶帶來延伸型的不均勻性。熱電偶兩電極的不均勻性效應可能是疊加的,也可能是相減的,因此,通過相應處理和選擇不均勻性的校正是可能的。