影响热电偶测量准确度因素的几点分析

热电偶由于具有结构简单、制造容易,测量方便等优点,故在工业温度测量中得到广泛应用,但是,要得到正确的测量结果,必须认识了解热电偶的特性和正确使用,否则将会在测量中带来很大的误差。下面从几个方面阐述影响热电偶测量不稳定因素。

1 热电偶热电特性不稳定的影响

1.1 沾污与应力的影响

(1)热电偶在生产加工过程中 ,偶丝经过多道缩径拉伸在其表面总是受沾污的。同时,从偶丝内部结构来看。不可避免地存在应力及晶格的不均匀性。这些物理状态的不一致性,对偶丝的塞贝克系数有影响,影响热电偶示值的不稳定性。所以,一支退火不合格的热电偶,不可能用来准确的测温。因淬火或冷加工引入的应力,可以用退火的方法予以基本消除。退火不合格所造成的示值误差,可达十分之几度到几度的变化。它与待测温度和热电偶电极上的温度梯度大小有关。廉价金属热电偶丝通常以“退火”状态交付使用,如果需要对高温用廉价金属热电偶进行退火,那么,退火温度应高于使用温度的上限,插入深度也应大于实际使用深度。

(2)对于作为基准和标准用的热电偶 ,在分度时最好在每一个分度点后都进行退火。对贵金属热电偶来说,退火程序是很重要的。在标准热电偶的检定规程中规定,标准热电偶在检定前,必须先进行清洗和退火,以消除热电偶的沾污和应力,从而改善了偶丝材料的金相组织,达到了提高测量稳定性。

1.2 不均匀性的影响

(1)在热电偶的理论中指出 ,由均质导体制成的热电偶,其热电势与两端温度有关,而与沿热电极长度的温度分布无关。若热电极材料不是均匀的,两热电极又处于温度梯度场中,则热电偶会产生一个附加热电势,即称为“不均匀电势”。不均匀电势的大小取决于沿热电极长度的温度梯度分布状态,材料的不均匀形式和不均匀程度,以及热电极在温度场所处的位置。

(2)造成热电极不均匀的原因 ,主要是化学成分和物理状态两方面,在化学成分方面如杂质分布不均匀,成分的偏析,热电极表面局部的金属挥发,氧化或某金属元素选择性氧化,测量在高温下的热扩散,以及热电偶在有害气氛中受到沾污和腐蚀等。在物理状态方面有应力分布不均匀和电极结构不均匀等。在工业中使用的热电偶,有时不均匀性电势引起的附加误差竟达20℃多度。这将严重地影响热电偶的稳定性和互换性,所以均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一。

2 热电偶自身不稳定性的影响

不稳定性就是热电偶的分度值,随时间和使用条件的不同而引起的变化。在大多数情况下,它可能是不准确性的主要原因。如果分度值的变化相对地讲是缓慢而又均匀的,这是经常进行监督性校检(如标准热电偶),或根据实际使用情况安排周期检定,这样可以减少不稳定性引入的误差。

2.1 影响不稳定性因素

(1)沾污。前面已讨论过偶丝将影响热电偶的塞贝克系数。偶丝材料往往受到环境气氛或保护管杂质沾污,不同程度的沾污所产生的附加电势也不同,这种附加电势将改变原来的分度特性,这是造成热电偶示值不稳定的一个因素。例如,铂铑10-铂热电偶,当使用的陶瓷管中含有铁的杂质,铂铑丝受铁沾污后,就影响其热电特性;当在含硅的高温还原性气氛中使用时,由于硅被还原成自由硅而与铂铑丝化合成为铂硅化合物,使偶丝变脆。检定标准热电偶所用的绝缘瓷管都要求用王水清洗,高温烘烤并规定正、负极的穿孔极性。若在常用的管中把热电极的正、负极穿错,原穿铂铑孔中的铂,会向铂极渗透而改变标准热电偶的热电特性。上述种种情况都会影响热电偶的稳定性。

(2)热电极在高温下挥发 ,热电偶的偶丝材料多数是合金材料,由于各组分材料的蒸气压不同,所以挥发的程度也不同,在高温下使用一定时间后,合金成分比例就有所改变,这将导致热电势产生明显变化。

(3)氧化还原。许多热电偶的不稳定性是由于偶丝氧化造成的。铜-康铜、铁-康铜、镍铬-镍硅等热电偶都能与氧化发生反应。如果热电极是均匀氧化,影响可能小一些;若是具有择优氧化,则其影响是很严重的。在低氧分压中(即缺氧的情况下),镍铬电极中的铬将产生择优氧化而改变偶丝的组合成分。

(4)脆化。脆化是热电偶报废的最普遍因素。沾污,晶粒生长,氧化(例如镍铬-镍铝)和长期使用于高温下再结晶(如钨)等因素,都可能导致偶丝的脆化。

(5)辐射。热电偶工作在原子反应堆中,受到中子轰击后,偶丝材料中如果有一种或几种元素发生蜕变(例如铑蜕变为钯),改变了偶丝的成分,使热电特性发生了明显的变化。

2.2 热电偶的稳定性检测

(1)检查新制标准热电偶热电动势的稳定性,是将热电偶放入退火炉中,使从测量端起400mm的一段处于某一要求温度的均匀中进行两次退火1h～2h,第一次退