T型熱電偶實(shí)驗(yàn)選取標(biāo)定與誤差分析

摘要：本文以T型熱電偶為例，采用固定溫度點(diǎn)法對(duì)其進(jìn)行校核，得到熱電偶的溫差函數(shù)，并對(duì)誤差進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，熱電偶隨著固定點(diǎn)溫度變化呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，且同型號(hào)的熱點(diǎn)偶仍存在較大地差異，應(yīng)在使用前進(jìn)行校核實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)T型熱電偶現(xiàn)存的問(wèn)題進(jìn)行分析，為T(mén)型熱電偶的使用提供相關(guān)參數(shù)依據(jù)。
0引言
       熱電偶是目前市場(chǎng)上常用的一種測(cè)量溫度的工具，因其具有簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)、精度高、測(cè)量范圍廣、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中用于實(shí)時(shí)測(cè)溫等[1-2]。
       T型熱電偶具有精度高、性能穩(wěn)等特點(diǎn)[3]，廣泛應(yīng)用于中低溫范圍測(cè)溫中。但目前市場(chǎng)上對(duì)于室溫范圍內(nèi)的測(cè)量使用以及選型大多以K型熱電偶為主[4-5]，對(duì)于測(cè)溫較好的中低溫的T型熱電偶很少使用，且現(xiàn)有市場(chǎng)生廠廠家繁多，生產(chǎn)出來(lái)的材質(zhì)各不統(tǒng)一，難免會(huì)存在同型號(hào)熱電偶與熱電偶之間的差異。其次，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要注重于對(duì)熱電偶的選型和誤差分析[6-7]，適用場(chǎng)合[8]，以及應(yīng)用等研究[9-10]。雖已取得了一定的研究成果，但對(duì)其T型熱電偶的校核標(biāo)定以及分析相對(duì)有限，對(duì)其具體應(yīng)用于室溫范圍內(nèi)的測(cè)試誤差研究更加略顯不足[11]。此外，由于安裝以及使用者自身等原因也會(huì)加大這一問(wèn)題的嚴(yán)重性，致使熱電偶存在很大的偏差，不能反映實(shí)際狀態(tài)下的工作溫度，很難滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)需求。因此，針對(duì)這一問(wèn)題，本文選取種T型熱電偶為常溫測(cè)試的研究對(duì)象，根據(jù)使用條件進(jìn)行對(duì)比校核實(shí)驗(yàn)。
1溫差電偶的測(cè)溫原理及使用方法
1.1測(cè)溫原理
       熱電偶又被叫做溫差電偶,是指由兩種不同的材料的導(dǎo)體彼此緊密接觸而組成的巴。當(dāng)兩個(gè)接觸點(diǎn)存在一定的溫差時(shí)，在回路中就有電流產(chǎn)生,因此兩個(gè)接觸點(diǎn)存在電動(dòng)勢(shì),該電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)溫差電動(dòng)勢(shì)或熱電動(dòng)勢(shì),如圖12所示。

       熱電偶一般是由兩種不同金屬材料的一段焊接而成,如圖1所示,A、B稱(chēng)為熱電極,焊接的一段直接接觸被測(cè)熱場(chǎng)的T端稱(chēng)為測(cè)量端,沒(méi)有焊接的--段則連接測(cè)量設(shè)備，處于恒定溫度T2端稱(chēng)為參考端叼。T、T2相差越大,輸出的電動(dòng)勢(shì)就越大,熱電偶可以通過(guò)熱電動(dòng)勢(shì)的大小間接得到溫度的大小。因此,溫差電偶的測(cè)溫范圍取決于制作溫差電偶的材料，常用的有:T分度熱電偶(中低溫區(qū))、K和N分度熱電偶(中高溫區(qū))、S和R、B分度熱電偶(高溫區(qū))用。
1.2熱電偶使用方法
       如圖2所示，在使用熱電偶的同時(shí),需根據(jù)接線示意圖進(jìn)行正確地接線。在標(biāo)定前必須進(jìn)行外觀檢查、焊接點(diǎn)檢查是否光滑、牢固等可能出現(xiàn)的問(wèn)題,其次對(duì)正負(fù)極的接入要嚴(yán)格按照正反進(jìn)行連接,同時(shí)檢.查電勢(shì)是否正常，檢查熱電極是否變脆，老化,變色以及腐蝕等問(wèn)題。

       本文采取固定溫度點(diǎn)法發(fā)進(jìn)行熱電偶標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，具體是指在所測(cè)溫度范圍內(nèi),選取固定端參考溫度(0℃到60℃)正常范圍內(nèi)，盡可能多的在選取范圍內(nèi)選取篤定點(diǎn)就行校核。實(shí)驗(yàn)?zāi)┒说臏y(cè)量設(shè)備選取KEITHLEY2701。實(shí)驗(yàn)選取了市場(chǎng)上常用的3家T型熱電偶作為實(shí)驗(yàn)材料，每根長(zhǎng)度為3m,分別編為1、2、
3進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。
2討論與分析
2.1采用固定溫度點(diǎn)發(fā)進(jìn)行標(biāo)定
       從圖3中可以看出,3種不同的編號(hào)的熱電偶均呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，且類(lèi)似于較好的線性趨勢(shì)。1號(hào)熱電偶與標(biāo)準(zhǔn)固定溫度點(diǎn)的數(shù)值相差不大?？梢钥闯觯瑹犭娕嫉臏y(cè)溫性能十分可靠。但在溫度相對(duì)較低時(shí)則呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì),在0℃左右時(shí),熱電偶呈現(xiàn)出左右波動(dòng)，其可能出現(xiàn)的原因是存在一個(gè)時(shí)間常數(shù)的影響4,造成熱電偶示數(shù)與固定點(diǎn)之間的差異。同樣,2號(hào)、3號(hào)熱電偶均呈現(xiàn)出與1號(hào)熱電偶相同的線性趨勢(shì)，且3號(hào)熱電偶與標(biāo)準(zhǔn)固定溫度點(diǎn)的數(shù)值相差略大于1號(hào)、2號(hào)熱電偶所呈現(xiàn)出的趨勢(shì)?？赡艽嬖诘脑蚴情L(zhǎng)度以及接觸點(diǎn)的問(wèn)題導(dǎo)致不同熱電偶之間存在.著一定的差異,但總體來(lái)說(shuō),熱電偶在一定范圍內(nèi)具有很好的測(cè)溫效果。

2.2不同編號(hào)熱電偶之間的差異
       從圖4中可以看出,1、2、3號(hào)熱電偶存在較大地差異,且3號(hào)熱電偶的最高。在低溫時(shí)2號(hào)熱電偶的最低,當(dāng)溫度升高時(shí)1號(hào)熱電偶的最低。在相同范圍內(nèi),3號(hào)熱電偶的度數(shù)更加接近于真實(shí)數(shù)值，更能反映實(shí)際情況。將3條熱電偶進(jìn)行多項(xiàng)式擬合,得到公式如表1所示。

       從表1中可以看出,熱電偶均呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系,但熱電偶之間也存在著較大的差異，當(dāng)測(cè)試儀器讀數(shù)為0時(shí)，此時(shí)呈現(xiàn)出,3號(hào)熱電偶>1號(hào)熱電偶>2號(hào)熱電偶,1、2、3號(hào)熱電偶對(duì)應(yīng)的實(shí)際值分別為8.863℃、6.291℃、6.392℃,1號(hào)熱電偶對(duì)應(yīng)的實(shí)際值比2號(hào)熱電偶對(duì)應(yīng)的實(shí)際值高出2.572℃,1號(hào)熱電偶對(duì)應(yīng)的實(shí)際值比3號(hào)熱電偶對(duì)應(yīng)的實(shí)際值高出2.471℃,3號(hào)熱電偶對(duì)應(yīng)的實(shí)際值比2號(hào)熱電偶對(duì)應(yīng)的實(shí)際值高出0.101℃。當(dāng)溫度升高時(shí),1、2號(hào)熱電偶呈現(xiàn)出相反趨勢(shì)，呈現(xiàn)出3號(hào)熱電偶>2號(hào)熱電偶>1號(hào)熱電偶。因此,3種不同的熱電偶存在性能差異可能與熱電偶絲不均質(zhì)有關(guān)，文獻(xiàn)[6]給出這-結(jié)論，驗(yàn)證了本文的正確性。
3誤差分析
3.1熱電偶自身存在的因素
       一般來(lái)說(shuō)熱電偶若是由均質(zhì)導(dǎo)體制成的，則其熱電勢(shì)只與兩端的溫度有關(guān)，若熱電極材料不是均勻的，且熱電極又處于溫度梯度場(chǎng)中，則熱電偶會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加熱電勢(shì),即“不均勻電勢(shì)”間。其大小取決于熱電偶長(zhǎng)度的溫度梯度分布、材料的不均勻形式、不均勻程度,以及熱電極在溫度場(chǎng)所處的位置。
       造成熱電偶不均勻性的主要原因有:如化學(xué)成分中雜質(zhì)分布不均勻,成分含量的偏差,以及熱電偶表面局部的氧化問(wèn)題,熱電偶在有些物質(zhì)或者氣體中受到腐蝕和干擾等會(huì)造成偏差。而對(duì)于新制的熱電偶,還存在加工問(wèn)題,彎曲以及焊點(diǎn)存在氣密性有氣泡等都會(huì)致使熱電偶在生產(chǎn)加工中存在畸變,會(huì)對(duì)測(cè)試造成誤差間。
       其次，熱電偶同時(shí)也存在著不穩(wěn)定性:不穩(wěn)定性具體是指熱電偶的分度值隨使用時(shí)間和使用條件的不.同而起的變化。在大多數(shù)情況下影響不穩(wěn)定性的因素有:污染覆蓋,熱電極在高溫下易揮發(fā),氧化和還原,甚至存在老化、脆化以及焊點(diǎn)開(kāi)焊等現(xiàn)象。需進(jìn)行定期維修除去表面污物,改善其熱電偶特性,延長(zhǎng)熱電偶?jí)勖?尤其在測(cè)試前期需對(duì)熱電偶進(jìn)行嚴(yán)格篩選和檢查。
3.2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響
       熱電偶安裝影響:熱電偶應(yīng)按照使用要求進(jìn)行布點(diǎn)，應(yīng)安裝在能代表被測(cè)介質(zhì)溫度處,避免裝在閥門(mén)處、彎頭拐角處及管道、設(shè)備的死角不好操作的附近。當(dāng)熱電偶插入深度超過(guò)1m時(shí),應(yīng)盡可能的垂直安裝，或加以支撐保護(hù)嗎。若熱電偶較長(zhǎng),則長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)則會(huì)存在溫度梯度,因此測(cè)量端必然會(huì)沿?zé)犭姌O導(dǎo)熱,一部分熱量會(huì)從溫度較高的熱端經(jīng)過(guò)保護(hù)套管、熱電極等傳到溫度較低的冷端。這樣熱電偶測(cè)得的溫度較之實(shí)際.溫度會(huì)偏低,因此為了減少誤差,可采取如下措施:增加熱電偶的插入深度或者盡可能采用熱傳導(dǎo)系數(shù)小的材料作保護(hù)套管。
測(cè)量系統(tǒng)漏電分流影響"7:熱電偶在結(jié)構(gòu)上存在缺陷等會(huì)使絕緣層出現(xiàn)漏電現(xiàn)象,對(duì)熱電偶溫差電動(dòng).勢(shì)的測(cè)量有很大影響，使測(cè)量結(jié)果整體變小，甚至出現(xiàn)測(cè)量值無(wú)法顯示的故障。而出現(xiàn)漏電引起誤差是多方面的,一般可能是智能控溫實(shí)驗(yàn)儀漏電、電位差計(jì)漏.電、絕緣層老化漏電，都可能使工作電流出現(xiàn)損失,使測(cè)量產(chǎn)生誤差。
3.3電動(dòng)勢(shì)測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的誤差
       冷端補(bǔ)償?shù)倪x擇凹:根據(jù)熱電偶測(cè)溫原理，熱電偶的溫差電勢(shì)只反映出來(lái)的是相對(duì)溫度,而熱電偶在回路中的熱電動(dòng)勢(shì)的大小不僅與測(cè)量端的溫度密切相關(guān),而且與參考端的溫度也有關(guān)系，它是由兩者的溫度的差值共同決定的，因此參考溫度的選擇對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的精度影響很大?，F(xiàn)有情況下選擇的參考端溫度等于0℃,然而在實(shí)際使用熱電偶測(cè)溫過(guò)程中，冷端溫度很難維持，甚至不為0℃,而且往往是變化的。文獻(xiàn)[3]利用軟件實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償,提高測(cè)試精度,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)方案可行性研究。其次室溫存在很大的波動(dòng)性,不宜作為溫度定標(biāo)實(shí)驗(yàn)的參考溫度,而且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)人為誤差因素的影響、測(cè)量?jī)x器精度等問(wèn)題。其中測(cè)量?jī)x器的精度等級(jí)的選擇要考慮測(cè)溫點(diǎn)要求的正確率是否匹配等都需要考慮用,而不是盲目的直接拿過(guò)來(lái)測(cè)試。
時(shí)間常數(shù):一般在溫度穩(wěn)定或變化很慢的對(duì)象。上測(cè)量溫度時(shí),動(dòng)態(tài)誤差很小,但對(duì)溫度變化很快的對(duì)象,動(dòng)態(tài)誤差就會(huì)增大,通常用時(shí)間常數(shù)1來(lái)表征熱電偶響應(yīng)速度的快慢,時(shí)間常數(shù)越小，響應(yīng)越快,動(dòng)態(tài)誤差就越小。因此,時(shí)間常數(shù)的大小是決定動(dòng)態(tài)誤差的主要因素。
3.4熱電偶實(shí)際應(yīng)用中減小實(shí)驗(yàn)誤差方法
1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境所需匹配適合量程下的熱電偶型號(hào)。
2）根據(jù)實(shí)際環(huán)境選擇合適的冷端補(bǔ)償器。
3）熱電偶的安裝深度應(yīng)放在中間位置，且不要隨意更改變動(dòng)。
4）熱量沿?zé)犭姌O傳導(dǎo)，熱端與周壁的熱交換等熱損失，會(huì)產(chǎn)生溫度測(cè)量誤差，盡量縮小熱電偶測(cè)量端的尺寸，并使體積與面積之比盡可能小，以減小測(cè)量端的熱容量，提高響應(yīng)速度。
5）采用導(dǎo)熱性能好的材料做保護(hù)管，管壁要薄，內(nèi)徑要小，減小保護(hù)管與熱電偶測(cè)量端之間的空氣間隙或填充傳熱性能好的其它材料。
6）測(cè)量時(shí)要在智能恒溫控制儀的溫度穩(wěn)定時(shí)方可讀數(shù)。
7）在熱電偶接線時(shí)嚴(yán)格按照?qǐng)D紙進(jìn)行，正負(fù)極的接法以及檢測(cè)。
4結(jié)論
本文通過(guò)對(duì)T型熱電偶實(shí)驗(yàn)原理、標(biāo)定過(guò)程以及誤差等幾方面進(jìn)行綜合分析，初步得到以下結(jié)論：
1）熱電偶隨著固定點(diǎn)溫度變化均呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，且同型號(hào)的熱點(diǎn)偶仍存在較大地差異，應(yīng)在使用前進(jìn)行校核實(shí)驗(yàn)。
2）同型號(hào)的熱電偶進(jìn)行標(biāo)定比較發(fā)現(xiàn)，3號(hào)熱電偶效果更好，更能符合實(shí)際溫度的需求，但仍然存在差異。
3）通過(guò)對(duì)熱電偶的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)以及誤差進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電偶需綜合考慮自身以及外界的因素共同影響。為今后實(shí)驗(yàn)材料的選取以及儀器維護(hù)、校核、維護(hù)提供了經(jīng)驗(yàn)參考，有助于實(shí)驗(yàn)正常有序的進(jìn)行。