高溫熱電偶的測量誤差及處理方案

摘要:詳細分析熱電偶使用后中間導體的形成機理，并根據實測數據分析高溫熱電偶測量誤差的產生原因。根據熱電偶中間導體定律可知，熱電偶局部變質部分只要存在溫差，就會產生測量誤差。采用對調焊接等處理方式，不僅可消除熱電偶長期使用帶來的示值誤差、減少熱電偶的消耗，而且可提高產品質量。
1影響熱電偶高溫測量精度的因素
1.1高溫測量中常用的熱電偶
　　在1250℃以下的場合，采用N型熱電偶測溫，其高溫穩定性及使用壽命較K型熱電偶成倍提高，通常與鉑銠熱電偶相當。因此，N型熱電偶的應用范圍在逐步擴大[1]。鎢錸3-鎢錸25熱電偶高溫測量時可測的溫度最高，但在氧化氣體中測量，鎢錸3-鎢錸25極易氧化，因此必須采取抗氧化措施。可將偶絲密封在保護套管中，并填以致密的填充料，填充料中有遇高溫產生還原性氣氛的粉體，外保護管是鉬基硅化鉬管。抗氧化的鎢錸3-鎢錸25熱電偶抗腐蝕，使用壽命與同等氣氛(環境)下的鉑銠熱電偶相當。
1.2影響熱電偶高溫測量精度的因素
　　影響熱電偶高溫測量精度的主要因素是輻射傳熱。熱電偶的輻射熱損失為
 
式中S一熱電偶的表面積
X一熱輻射率
e一斯特藩-玻爾茲曼常數
T一熱電偶測得的溫度
Tw一熱電偶所置的腔壁溫度
另一方面，熱電偶通過對流傳熱獲得的熱量為
 
Tg一被測氣體的真實溫度
h一對流傳熱系數
　　如果不考慮導熱，熱電偶達到熱穩定以后，有dq輻=dq換
 
　　由式(3)可知，對流傳熱系數、熱輻射率、熱電偶所置的腔壁溫度是影響熱電偶高溫測量的精度的因素。熱電廠的鍋爐的全大屏、后屏入口、出口等位置的高溫(900~1200℃)測量使用帶有二層屏蔽罩的鉑銠10-鉑熱電偶，抽氣熱電偶用于鍋爐燃燒研究。熱電偶的保護套管直徑、安裝位置與對流傳熱系數h有直接關系。
2熱電偶使用后中間導體的形成
　　熱電偶的中間導體定律是眾所周知的常識。但對熱電偶在使用中形成中間導體后的誤差情況，以及如何正確進行測溫是儀表人員校對爐溫時至關重要的問題。由于這一問題的存在，無疑會降低測溫的質量，甚至達到影響測量正確的程度。在熱電偶回路中，接入了和該熱電偶不同熱電特性的導體后，只要該導體各部分的溫度不等，就會產生寄生電勢，從而造成測量誤差。
　　t為工作端溫度，t0為冷端溫度，t0'-t0’'代表插入爐膛的部分溫度，該處溫度比工作端低，并且to'>t0',因為熱電勢EAB(t,t0)=EAB(t，t0')+EAB(t0'，t0')+EAB(t0''，t0),所以，如果熱電偶各部分材質都--致，則從上式可以看出，不論t0'和t0'的溫度如何，其測量結果仍然符合熱電勢和溫度之間的函數關系，即EAB(t,t)0=(ft)-(ft0)。但若t0'和t0''之間的一.段電極變質之后，導致了熱電特性的改變，于是，當t0'不等于t0”時，其測量結果就不再符合上式，而是隨著該兩點間的溫度之差而變化。熱電偶在使用過程中會氧化腐蝕，特別是銠元素的選擇性氧化導致的粗晶和還原性氣體對鉑的污染，都會使熱電偶的熱電特性明顯的變壞。
3實測數據
　　帶有中間導體的熱電偶繼續用來測溫時，其中間導體兩端的溫度肯定是不同的，否則就會產生測量誤差。由于使用現場爐子大小和形狀不同，故熱電偶的插入深度也并不一致。于是熱電偶的變質情況和變質部分的長度就各不相同。對于高溫爐測試用的鉑銠-鉑熱電偶，在插入深度較淺的爐子上使用時會產生誤差，把使用時間不等的同種熱電偶和新偶，用兩種不同插入深度對比測試的結果，溫度也相差10℃以上。現將測試結果列表如下，具體見表1(測試用直流電位差計UJ33a，采用雙極法直接對比，將使用時間不等的偶和新偶分別捆扎后入爐)。
　　多數熱電偶都為負差值,插入150mm時測試的負值更大。僅有同等型號的新偶在測試1230℃時，插入深度300mm為+1℃,特別是舊偶在插入150mm深度測試時與新偶競相差6℃.為了進一步驗證在不同加熱深度時的誤差問題，又將使用較長時間的偶和另外兩只偶插入同一深度，同--爐溫分別進行測試，結果同樣符合上述規律。
　　產生上述情況的主要原因，一是測試偶與新偶由于位置不當，所受介質污染程度不同:二是插入介質在不同深度時，由于爐溫不能保持絕對均勻恒定(受熱電極所致)造成的。由此可以說明:使用時間較長的熱電偶對測溫將產生更大的誤差。
4解決辦法
　　使用雙鉑銠熱電偶測溫(分度號:B)目的是為了達到測試溫度更加正確。以往使用單鉑銠(分度號:S)熱電偶測溫要考慮冷端補償問題。需加修正值，使用分度號B的熱電偶測溫后,溫度即使在零上50℃時,其亳伏值僅0.002mV。所以用雙鉑銠熱電偶測溫，就無需考忠冷端室溫的補償問題。由于熱電偶入爐產生的差值不同，特設置了專用的測溫支架和同一規格的熱電偶不銹鋼保護套。插入深度固定在300mm處。測試高溫前，要實行等級預熱，使熱電偶便于獲得更均勻一致的受熱，實行定期更換熱電偶不銹鋼保護套。以保證熱電偶材質均勻性盡可能長時間不變。
　　對使用一段時間后的鉑銠熱電偶，往往其極點容易斷開。極點斷開后，將偶絲頭尾對調焊接，經過硼砂清洗和煮沸后，實行定時間的回火處理。如果不對調偶絲，有的偶絲極點部分由于污染變脆，剪掉少量部分，再重新鹽水焊接也是可以的。通過上述處理后，再和標準偶對比，測出誤差，找出修正值方可準予應用。
5結束語
　　近年來，實踐中使用的高溫偶一直采用這些處理方式，不僅消除了由于熱電偶長期使用帶來的示值誤差，而且從很大程度上減少了熱電偶的消耗，提高產品質量的同時，也取得了很好的經濟效益。