熱電偶使用中的幾個問題和解決辦法

引言
       熱電偶作為一種重要的測溫傳感元件,在測溫系統(tǒng)中起著重要作用。正確使用熱電偶能夠保證我們測得準確的溫度,反之,則容易對溫度的測量產(chǎn)生不良的影響。

1熱電偶的工作原理

       熱電偶的結(jié)構(gòu)如圖1所示,其工作原理是基于賽貝克效應,即:如果A、B是由兩種不同成分的均質(zhì)導體組成的閉合回路,當兩端存在溫度梯度(T,T0)時,回路中就有電流通過,那么兩端之間就存在賽貝克電勢———熱電勢,記為EAB(T,T0)。其值與組成熱電偶的金屬材料性質(zhì)、熱端與冷端的溫度差的大小有關(guān),而與熱電極的長短、直徑大小無關(guān)。此不同導體的組合稱熱電偶,T端稱工作端(熱端);T0稱為參考端(冷端)。

2熱電偶使用中的問題及解決方法

       熱電偶作為測溫的一次元件,因其結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、動態(tài)響應快和測溫范圍廣以及可遠距離測量等優(yōu)點而得到廣泛應用,但是在實際測溫工作中,熱電偶參考端的溫度常隨環(huán)境溫度的變化而變化,且熱電偶安裝位置是否得當,使用氣氛是否適應,都會直接影響測量數(shù)據(jù)的準確度。為達到精確測量溫度的目的,下面分幾個方面對正確使用熱電偶逐一進行論述。

2.1熱電偶的選用

       正確地選擇熱電偶是合理使用熱電偶的前提,不但可以準確地得到溫度數(shù)值、保證產(chǎn)品質(zhì)量和安全,而且還可以節(jié)省熱電偶材料的消耗。

       熱電偶的選擇,首先應根據(jù)被測溫度的上限和使用環(huán)境來選擇熱電偶的熱電極和保護套管,其次根據(jù)被測對象的結(jié)構(gòu)和安裝特點來選擇熱電偶的規(guī)格尺寸。熱電偶按結(jié)構(gòu)形式可分為:普通工業(yè)型、鎧裝型、高性能實體型和特種型熱電偶。常見的普通工業(yè)型熱電偶有鉑銠10-鉑熱電偶、鎳鉻-鎳硅熱電偶以及銅-康銅熱電偶等幾種。表1是一個生產(chǎn)選用的示例。

       鎧裝型熱電偶是將熱電極絲裝在有絕緣材料的金屬套管中,經(jīng)組合加工成可彎曲的堅實的組合體,再依所需長度截斷,對其測量端和參考端進行加工即制成。該熱電偶可以做得很細很長,在使用中可隨測量需要而彎曲。其測量范圍寬、響應速度快、接熱點處的熱容量小、使用壽命長,同時機械強度高、耐壓性能高、適應性廣、繞性大、安裝使用方便,應用極其廣泛。

2.2補償導線的正確選用

       補償導線是指連接熱電偶接線盒與溫度指示儀表的一對帶有絕緣層的導線。選用補償導線要特別注意:它的熱電特性只在一定的溫度范圍(0~100℃)與熱電偶近似,各種補償導線只能與相應的熱電偶配用,因為不同導線的熱電特性不同,在同一溫度下補償電勢的大小也不同。各種熱電偶都有相對應的補償導線,如表2所示。正確使用補償導線,不但可以將熱電偶的參考端延伸到遠離熱源或溫度較恒定的地方,改善其測量線路的機械物理性能,而且還能降低測量線路的成本,提高測溫準確性,起到補償溫度的作用,這一點是普通導線所不具備的。補償導線可以作為所配熱電偶的延長線,但應當指出,它并不能消除冷端溫度不為0℃的影響。補償導線的使用還應注意,其連接點的溫度應相同,且不能超過規(guī)定的使用范圍(普通型不大于100℃,耐熱性不大于200℃),同時保證其與熱電偶連接時極性不得接反,否則將產(chǎn)生附加熱電動勢,對回路總熱電動勢產(chǎn)生影響,從而增大測溫誤差。

2.3參考端溫度處理

       為使熱電偶的熱電勢與測量端溫度(T)有單值的函數(shù)關(guān)系,必須進行參考端溫度(T0)處理,即保持參考端溫度(T0)恒定,并消除T0≠0所產(chǎn)生的誤差。主要應用的方法有計算法、調(diào)零法、冰點法、補償導線法和橋路補償法。此處介紹計算法和能夠自動補正的橋路補償法。

2.3.1計算法

       式中:EAB(T,T0)為工作端溫度T、參考端溫度T0=0時的熱電動勢;EAB(T,T′0)為工作端溫度T、參考端溫度T′0≠0時的熱電動勢;EAB(T′0,T0)為工作端溫度T′0、參考溫度T≠0時的熱電勢值。只要有該種熱電偶的分度表,則從分度表上查得EAB(T′0,0)值,將此值與測量值EAB(T,T′0)求和,即可計算出EAB(T,0),再查該種熱電偶的分度表,即可求得工作端溫度為T。

2.3.2橋路補償法

       在熱電偶測量電路中,串接一個不平衡電橋,當熱電偶隨參考端溫度升高而下降某個毫伏值時,串聯(lián)在電路中的橋路輸出毫伏值正好上升某一值,從而保證熱電偶在參考端溫度變化時,其輸出總值不變,補償電路如圖2所示。橋路中R1、R2、R3是錳銅繞制的電阻,Rj是用銅或鎳線繞制的電阻,后者的溫度系數(shù)大于錳銅電阻溫度系數(shù)。

       當橋路處溫度為0℃時,調(diào)整橋路Eab=0,此時有

       R1R2=R3Rj

       當橋路處溫度不為0℃時(高于0℃),由于溫度變化使四個橋臂電阻發(fā)生變化ΔRj>ΔR1、ΔR2、ΔR3,此時a點電位高于b點電位,因橋路串聯(lián)在熱電偶電路中,則:

       故EAB(T,T0)=EAB(T),即輸出總值不變。目前橋路補償器基準溫度為20℃,在使用時,所配顯示儀表要進行機械零點調(diào)整,即毫伏表指針應從0℃調(diào)至20℃的位置,否則指示值會比實際值產(chǎn)生20℃偏差。

2.4熱電偶的定期檢查與檢定

       熱電偶經(jīng)一段時間使用后,由于熱電極的高溫揮發(fā)、晶粒組織變化、氧化腐蝕等原因,常出現(xiàn)老化變質(zhì),稱為熱電偶的劣化,這會使熱電偶的熱電特性改變,造成測溫誤差。常用熱電偶變質(zhì)程度如表3所示。為此必須準確推斷劣化程度以便維修更換,同時要做定期檢定,以保證精確測量。

       為避免浪費,宜對劣化程度不嚴重的熱電偶進行維修。維修時首先進行清洗,分為酸洗和硼酸鈉清洗,目的是除去表面污物,改善其熱電偶特性,延長熱電偶壽命。然后進行退火處理,目的是清除電極中內(nèi)應力,改善熱電偶晶相,提高熱電偶穩(wěn)定性。通常退火有通電退火、爐內(nèi)退火兩種方法。經(jīng)過上述方法處理,鑒定合格后,可重新投入使用。

       針對劣化這種不可避免的量化過程,可采取以下對策:①用耐熱鋼管替代不銹鋼保護管;②防止還原性氣體深入,可采用復合管型實體熱電偶。

       另外,熱電偶存在零點漂移的問題,而且漂移方向均為負偏差。在工業(yè)生產(chǎn)中,稍不注意就會發(fā)生工件過燒的質(zhì)量事故,所以熱電偶要嚴格按照檢定周期進行周期檢定。熱電偶檢定應嚴格按照國家檢定規(guī)程進行。

2.5正確的安裝

熱電偶的安裝一般在產(chǎn)品說明書中均有介紹。因為熱電偶測溫的感溫部分是“感溫點”,為了保證測量結(jié)果的真實可靠,在實際應用中應多注意以下幾方面:

①熱電偶安裝的位置應盡可能靠近預測的溫度控制點,使其測量端與被測介質(zhì)充分接觸,遠離強磁場和強電場。

②熱電偶應有足夠的插入深度,最少不小于熱電偶保護套管的外徑的10倍。接線盒不可與被測介質(zhì)容器壁或管壁接觸。

③當被測介質(zhì)具有負壓時,熱電偶安裝必須密封,以免影響測量的準確性。

④熱電偶的安裝位置應盡量保持垂直,防止保護管在高溫下產(chǎn)生變形。但在有流速的情況下,熱電偶必須傾斜安裝,傾斜45°為佳,且與介質(zhì)流動方向相逆,并盡量安裝在管道的彎曲處。需要水平安裝的熱電偶,應有耐火磚或耐熱金屬支架支撐,防止保護套管受熱變形或受碰撞而折斷。

3結(jié)束語

       綜上所述,通過介紹熱電偶使用中的問題和解決辦法,初步探討了熱電偶的正確使用,為獲得精確的測量溫度提供了可靠的保證。而使用熱電偶進行測溫和控溫時會遇到很多問題,涉及多方面,需要引起注意。