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- 【导读】 热电偶如何正确使用及如何减少测量误差摘要:热电偶是一种*简单﹑*普通的温度传感器。在使用时不注意,也会引起较大测量误差。针对当前存在的问题,详细探讨影响测量误差的主要因素:热电偶插
- 热电偶如何正确使用及如何减少测量误差
摘要:热电偶是一种*简单﹑*普通的温度传感器。在使用时不注意,也会引起较大测量误差。针对当前存在的问题,详细探讨影响测量误差的主要因素:热电偶插入深度﹑响应时间﹑热辐射及热阻抗等,指出热电偶丝不均质﹑铠装热电偶分流误差﹑K型热电偶的选择性氧化﹑K状态﹑使用气氛﹑绝缘电阻及热电偶劣化等在使用中应注意事项。对提高测量精度,延长热电偶寿命,有一定帮助。关键词:响应时间; 热辐射; 分流误差; K状态; 热电偶劣化1. 前言在现有的测温系统中,*常用的温度传感器—热电偶,因其结构简单,往往被误认为“热电偶两根线,接上就完事”,其实并非如此。热电偶的结构虽然简单,但在使用中仍然会出现各种问题。例如:安装或使用方法不当,将会引起较大的测量误差,甚至检定合格的热电偶也会因操作不当,在使用时不合格,在渗碳等还原性气氛中,如果不注意,K型热电偶也会因选择性氧化而超差。为了提高测量精度,减少测量误差,延长热电偶使用寿命,要求使用者不仅应具备仪表方面的操作技能,而且还应具有物理、化学及材料等多方面知识。作者根据多年实践,并参阅有关资料较详细地介绍热电偶的正确使用及测量误差。2.测量误差的主要影响因素1)插入深度的影响- 测温点的选择。热电偶的安装位置,即测温点的选择是*重要的。测温点的位置,对于生产工艺过程而言,一定要具有典型性、代表性,否则将失去测量与控制的意义。
- 插入深度。 热电偶插入被测场所时,沿着传感器的长度方向将产生热流。当环境温度低时就会有热损失。致使热电偶与被测对象的温度不一致而产生测温误差。总之,由热传导而引起的误差,与插入深度有关。而插入深度又与保护管材质有关。金属保护管因其导热性能好,其插入深度应该深一些(约为直径的15—20倍),陶瓷材料绝热性能好,可插入浅一些(约为直径的10-15倍)。对于工程测温,其插入深度还与测量对象是静止或流动等状态有关,如流动的液体或高速气流温度的测量,将不受上述限制,插入深度可以浅一些,具体数值应由实验确定。
- 响应时间的影响
接触法测温的基本原理是测温元件要与被测对象达到热平衡。因此,在测温时需要保持一定时间,才能使两者达到热平衡。而保持时间的长短,同测温元件的热响应时间有关。而热响应时间主要取决于传感器的结构及测量条件,差别极大。对于气体介质,尤其是静止气体,至少应保持30min以上才能达到平衡;对于液体而言,*快也要在5min以上。对于温度不断变化的被测场所,尤其是瞬间变化过程,全过程仅1秒钟,则要求传感器的响应时间在毫秒级。因此,普通的温度传感器不仅跟不上被测对象的温度变化速度出现滞后,而且也会因达不到热平衡而产生测量误差。*好选择响应快的传感器。对热电偶而言除保护管影响外,热电偶的测量端直径也是其主要因素,即偶丝越细,测量端直径越小,其热响应时间越短。测温元件热响应误差可通过下式确定[1]。Δθ=Δθ0exp(-t/τ)(2—1)式中 t—测量时间S,Δθ—在 t时刻,测温元件引起的误差,K或℃Δθ0—“t=0” 时刻,测温元件引起的误差,K或℃τ—时间常数Se —— 自然对数的底(2.718)因此,当t=τ时,则Δθ=Δθ0/e即为0.368,如果当t=2τ时,则Δθ=Δθ0/e2即为0.135。当被测对象的温度,以一定的速度α(k/s或℃/s)上升或下降时,经过足够的时间后,所产生的响应误差可用下式表示:Δθ∞=-ατ(2—2)式中Δθ∞—经过足够时间后,测温元件引起的误差。由式(2—2)可以看出,响应误差与时间常数(τ)成正比,表1,2给出装配式与铠装式热电偶响应时间的实验结果,可供参考[1]。为了提高检定效率许多企业采用自动检定装置,对入厂热电偶进行检定,但是,该装置也并非十分完善。二汽变速箱厂热处理车间就发现如果在400℃点的恒温时间不够,达不到热平衡,就容易发生误判。表1K型热电偶响应时间热电偶丝直径(mm)保护管响应时间(τ)温度变化范围(°C)外部条件材质规格(mm)3.2SUS304外径226 分55 秒常温 → 600燃气炉中内径162 分52 秒600 → 常温静止冷水1.6SUS304外径153 分32 秒常温 → 600燃气炉中内径1140 秒1000 → 常温静止冷水1.0SUS304外径121 分14 秒常温 → 950燃气炉中内径82 分28 秒950 → 常温自然空冷3.2只有绝缘管无外保护管49 秒常温 → 950燃气炉中1 分32 秒900 → 常温自然空冷1.6只有绝缘管无外保护管27 秒常温 → 900燃气炉中52 秒900 → 常温自然空冷表2铠装热电偶响应时间铠装热电偶外径(mm)响应时间(τ)温度变化范围(℃)外部条件接壳型绝缘型0.250.007秒0.012秒常温→100沸腾水中0.50.027秒0.031秒常温→100沸腾水中0.03秒0.05秒常温→100沸腾水中1.00.077秒0.117秒常温→100沸腾水中0.7秒0.12秒常温→100沸腾水中1.60.15秒0.2秒0→100沸腾水中0.18秒0.26秒常温→100沸腾水中2.30.26秒0.41秒常温→100沸腾水中3.20.4秒0.5秒0→100沸腾水中0.46秒0.9秒常温→100沸腾水中4.80.73秒1.2秒0→100沸腾水中1.6秒2.4秒常温→100沸腾水中6.41.2秒2.4秒0→100沸腾水中2.2秒3.7秒常温→100沸腾水中8.02.1秒3.9秒0→100沸腾水中4.0秒5.8秒常温→100沸腾水中- 热辐射的影响
插入炉内用于测温的热电偶,将被高温物体发出的热辐射加热。假定炉内气体是透明的,而且,热电偶与炉壁的温差较大时,将因能量交换而产生测温误差。在单位时间内,两者交换的辐射能为P,可用下式表示:P=σε(Tw4 - Tt4 )(2—3)式中σ—斯忒藩—波尔兹常数ε—发射率Tt—热电偶的温度 , KTw—炉壁的温度 ,K在单位时间内,热电偶同周围的气体(温度为T),通过对流及热传导也将发生热量交换的能量为P′P′=αA(T-Tt)(2—4)式中 α—热导率A— 热电偶的表面积在正常状态下,P= P′,其误差为:Tt-T=σε(Tt4-Tw4)/αА(2—5)对于单位面积而言其误差为Tt-T=σε(Tt4-Tw4)/α(2—6)因此,为了减少热辐射误差,应增大热传导,并使炉壁温度Tw ,尽可能接近热电偶的温度Tt。另外,在安装时还应注意:- 热电偶安装位置,应尽可能避开从固体发出的热辐射,使其不能辐射到热电偶表面;
- 热电偶*好带有热辐射遮蔽套。
- 热阻抗增加的影响
在高温下使用的热电偶,如果被测介质为气态,那么保护管表面沉积的灰尘等将烧熔在表面上,使保护管的热阻抗增大;如果被测介质是熔体,在使用过程中将有炉渣沉积,不仅增加了热电偶的响应时间,而且还使指示温度偏低。因此,除了定期检定外,为了减少误差,经常抽检也是必要的。例如,进口铜熔炼炉,不仅安装有连续测温热电偶,还配备消耗型热电偶测温装置,用于及时校准连续测温用热电偶的准确度。热电偶如何正确使用及如何减少测量误差
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- 2006-11-20 09:25:25
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