1 热电偶的测温基本原理
温度测量的方式一般分为接触式测量和非接触式两大类, 由于温度参数的特殊性, 使其无法通过直接方式获取, 而必须要利用一些物理特性与温度之间有着特定函数关系的物质来进行间接的测量获取。
从温度测量的方式来看, 热电偶属于接触式测温, 热电偶测温元件进行温度测量的基本原理是元件材料的热电效应, 具体来说, 就是将电子密度不同的两种金属导体首尾相接组成闭合回路, 当回路两端的温度不同时, 在回路中就会产生热电动势, 形成热电流, 这样就可将温度信号转换为电压信号以便于测量。利用热电偶进行温度测量具有准确度较高、动态响应快等特点, 同时热电偶测温范围相对较广, 信号可以远距离传送, 这也使热电偶测温装置能够好更好地实现集中监测以及自动控制。然而热电偶测温元件的精度在实际的使用过程中会受到一系列因素的影响, 结合热电偶测温的基本原理, 并通过技术手段对热电偶测温误差原因进行分析, 将能够有效的控制测温误差的出现, 提高热电偶测温的精度。
2 热电偶测温误差及原因分析
(1) 热电偶安装因素造成的误差。热电偶在安装过程中位置的选择不合理, 以及实际测温时插入被测环境的深度不当, 都会导致热电偶测温误差的产生。同时针对不同测温对象, 热电偶插入的深度也要进行相应的调整, 要根据实际测温工作的需要, 结合科学的实验数据, 对不同对象测温时插入的深度进行准确的确定。
(2) 参考端温度变化导致的测温误差。利用热电偶进行测温的过程中参考端的温度十分重要, 参考端的温度对热电偶的热电动势有着直接的影响, 因此保持参考端的温度的恒定, 是保证热电偶测温精度的前提条件。一般情况下, 参考端的温度以保持0℃为最佳, 但在实际的测温工作中, 并不容易取得0℃的理想值, 因此采取一些其他的方法进行温度补偿也是提高热电偶测温精度的常用措施。
(3) 热辐射以及导热误差。热辐射误差主要是由热电偶测量端与环境的辐射热交换所引起的, 而导热误差则是由于沿热电偶长度存在温度梯度, 而测量端必然会沿热电极导热, 使得指示温度偏离实际温度。
(4) 热电偶动态响应误差。由于热电偶的测温方式属于接触式, 因此在测温过程中热电偶测温元件需要通过一定时间的保持使其同被测的对象达到热平衡, 所需要保持的时间取决于热电偶的热响应时间, 热响应时间则根据具体的测量环境条件以及热电偶的结构而有所差别。对于静止的测量对象以及测量环境热电偶在保持一定时间后可以准确测量出温度数据, 然而当测量对象及环境的温度时刻变化时, 往往对热电偶的热反应时间有着很高的要求, 当传感器的热响应速度无法跟上被测环境温度的变化速度时, 就会因为无法达到热平衡而产生误差。
(5) 测量系统漏电引起的热电偶测温误差。热电偶测温系统在使用过程中, 会因为绝缘层损坏等原因造成系统漏电, 导致热电势受到影响, 使仪表的指示温度与实际的温度之间出现误差, 较严重的将导致测量系统的失灵。
3 热电偶测温误差的修正
(1) 结合实际测量需要, 合理选择测温点, 准确控制热电偶插入深度。选择具有代表性的测温点是保障热电偶测温的准确性的基本条件, 在实际测量工作中, 要结合对被测设备的研究以及设备正常工作过程中的温度特性, 找到最典型的点位作为测温点, 才能达到有效的测温与控温的目的。要根据测量对象的不同, 以及测温装置保护管材质的区别来进行插入深度的设定, 通过一些相应的科学实验进行有效的参考与指导, 进而确定不同测量工作条件下的插入深度。
(2) 参考端温度变化导致测温误差的修正方法有很多种, 其中较常用的方法包括:恒温器法、补偿电桥法以及补偿导线法等。恒温器法主要是通过冰点恒温器的使用, 使热电偶的参考端温度保持恒定, 将参考端温度控制在0℃以确保测量的准确性。补偿电桥法, 是通过在测温系统加入一个具有电压补偿作用的桥路装置, 让该装置的电压随温度升高而升高, 针对性的补偿参考端温度变化造成的热电势的降低值, 使系统中的电压数值维持相对平衡, 进而保持系统温度测量的准确度。补偿导线法的原理是利用补偿导线将热电偶参考端延长至温度相对恒定的地方, 进行有效的修正, 但补偿导线法的修正作用不足以完全消除参考端温度变化导致的测温误差, 所以在使用补偿导线法进行误差修正时还要结合其他的方法, 共同作用来进行有效的修正, 进而减小原参考端温度变化对测量精度的影响。
(3) 针对热辐射导致的测量误差可以通过两种方法进行修正, 一是加剧对流换热, 二是削弱辐射换热。对于导热误差的修正也可以通过采取大多数可以加强对流或是削弱导热的措施来实现。
(4) 对热电偶动态响应误差的修正, 主要通过提高温度传感器的热响应速度, 缩短传感器热响应滞后时间来实现。通过科学的实验研究发现热电偶的热响应时间与热电偶接点的体积以及与被测介质的接触面积有关, 因此在实际温度测量中, 减小热电偶接点的体积, 从而减小接点部分的热容量, 或通过改变接点的形状等方式增大接点与被测介质的接触面积, 都可以有效的减少热响应的滞后时间。此外, 通过改变热电偶的材质, 提高热电偶的热响应速度也是修正动态响应误差的有效方法。
(5) 针对温度测量系统漏电引起的测量误差, 要加强对测量系统的日常检修与养护, 确保测量系统绝缘性能的正常发挥, 同时采取接地以及其他的屏蔽方法来进行误差修正, 还可以通过增大热电偶直径, 增加绝缘层的厚度, 降低电阻值以及调整加热带的长度等措施来进行铠装热电偶分流误差的修正。