熱電偶固有特性引起的誤差分析

        熱電偶的熱電特性將隨其成分、 微觀結構及殘余應力大小而變化。 即使同一型號的熱電偶，它們的 E-t關系也不一致。 各種熱電偶都是在一定的誤差范圍內與相應的分布表符合。 此種誤差雖可通過檢定的方法加以修正，但應指出，修正只是補正分度表與實際 E-t間的偏差，不意味著完全消除了熱電偶的誤差，至少還具有上一級標準熱電偶的傳遞誤差。

 

二、熱電偶不均勻引起的誤差

        均勻的熱電偶產生的熱電動勢， 只與測量端、參考端溫度有關�？墒�，如果熱電偶絲不均質，并且沿偶絲長度方向存在溫度梯度，將引起熱電動勢變化。 即使是新的熱電偶，實際上仍有不均質問題存在，而且在裝配時還將產生應力。還可能因為加熱或冷卻速度在某局部不相同或者因化學反應產生的斑點等所引起的不均質，導致的誤差是不可避免的。 不均質誤差是由于在使用時不均質部分處于有溫度梯度的場合所產生的誤差，即不均質誤差與測溫時沿熱電偶長度方向的溫度梯度有關。 溫度梯度越大，材質的不均勻性影響就越大。 例如有的熱電偶在檢定爐內檢定合格，但使用時未必合格，其中主要原因之一，就是材質不均勻產生附加電動勢造成的。 因此，熱電偶的受檢定狀態應盡可能與使用狀態一致，這點必須注意。為探討材質不均勻的影響， 在 1560℃ 下將 S 型熱電偶插入爐內深度為 360mm ，產生誤差為 1.3℃ ；插入440mm ，誤差為 0.4℃ 。對 B 型熱電偶而言，在相同條件下其誤差分別為 0.5℃ 與 0.1℃ 。 這些誤差數值表明，由上述熱電偶的測量端起至 15mm 的這部分，是很不均勻的，在此 15mm 間產生誤差的均勻值如表 1 所示。

 

        所以，在測溫點附近即使有極小的溫度梯度，也會引起 0.1℃ 左右的誤差，使用時要注意。 不均質的測量方法很多，但作為實用方法，以同時比較同種熱電極絲為好。

三、由滯后現象引起的誤差

        熱處理溫度與時間的關系如表 2 所示， 由于冷卻速度不同，在低溫下存在各種準平衡狀態是引起滯后現象的原因。顯微結構的變化將引起熱電動勢 - 溫度特性滯后。這種滯后現象通常隨熱電極絲的加工狀態、加熱溫度、時間、冷卻速度的不同而相異。例如，在某溫度下加熱后， 以極其緩慢的速度冷卻， 則不發生滯后現象。在實際使用時，冷卻的時間常數為（ 5~10 ） min ，就可以避免滯后現象。 當使用溫度變化時，如有滯后現象發生，將引起滯后誤差。 對于 S 或 R 型熱電偶，該誤差可達 0.6℃ 。 使用前預先將熱電極絲全長在 1100℃ 下進行熱處理，則可以避免此種誤差。 如果進行上述熱處理有困難時，要盡可能在與使用狀態相同的條件（溫度梯度分布及熱循環情況）下校準。鎳鉻熱電極與鉑銠極滯后現象相似，鎳鉻熱電極的加熱溫度與時間的不同， 使熱電動勢率發生變化。

        這種滯后現象對溫度測量的影響， 同鉑銠絲相比，約大一個數量級，有時該誤差竟達 8℃ 。 在 200℃~500℃范圍內的熱循環過程中，引起的誤差可達 80μV 。 tuijian在 450℃ 下， 對熱電極絲全長進行預處理的時間達80min 。

 

        如果是純金屬金 - 鉑、銀 - 鈀制成的熱電偶，則不必擔心上述滯后現象。

 

四、寄生電動勢引起的誤差

        從熱電偶參考端到測量回路中，只要有很小的溫度梯度，那么在不同金屬接觸處就將產生寄生熱電動勢。如果有水，可能還將產生化學寄生熱電動勢。為了消除化學寄生電動勢，應避免沾著水分。 為保證導線的物理化學性能相同，應從同一卷導線上截取，#好在冰點裝置內將兩根線短路， 測量其寄生電動勢，找出不產生寄生熱電動勢的導線。 而且，整套測量裝置要盡可能避免放在有日光直接照射或者輻射以及容易引起溫度梯度的場所，并采取必要的遮蔽或保溫措施，可使寄生熱電動勢降至 1μV 以下。 對于高精度測量， 要選用熱電動勢小的切換開關與極性轉換開關，不但要將其放入無溫度梯度場所，而且在開關中要放置一短路裝置，通過測量零電壓來補償回路的寄生電動勢更好。 采用此種方法，可將寄生電動勢的影響減小到 0.02μV 左右。

 

五、熱傳導誤差

        為了消除熱電極絲的熱傳導誤差，必須考慮熱電偶的插入深度以及溫度分布等。該種熱傳導誤差將隨熱電極的材質、尺寸、絕緣物、保護管的材質、尺寸，周圍流體的特性、流速及表面狀態的不同而變化，并隨環境溫度與溫度分布情況而改變。

 

        當沿熱電極絲的溫度分布為斜線時，其熱傳導誤差 Δθ 為

        Δθ=Lθ m 〔 exp （ -x 1 /L ） -exp （ -x 2 /L ）〕 / 〔（ 1+β ）（ x 2 -x 1 ）〕（ 1 ）

        當溫度分布為二次曲線時，其熱傳導誤差 Δθ 為Δθ=θ 2L / 〔 2 （ 1+β ）〕 （ 2 ）

        熱傳導誤差常數如表 3 所示。 例如對 K 型熱電偶，Φ3.2 電極絲的 L=25mm ， β=0.37 ， x 1 =150mm ， x 2 =300mm ，

        由式（ 1）可求得Δθ≈0.3℃

 

        在用比較法檢定熱電偶時，為了獲得 0.1℃ 的檢定準確度，其檢定爐的恒溫帶長#好為（ 150~200 ） mm ，均勻性應在 ±1℃ 以內。

六、動態誤差

        測量儀表不能跟蹤被測物體的溫度變化所引起的誤差。 對于靜止或溫度變化緩慢的物體，動態誤差很小。 但對高速氣流或瞬間變化的溫場，由于測溫元件的熱惰性，動態誤差可能很大。 這時必須采用小惰性熱電偶才能減少動態誤差。