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自動控溫系統(tǒng)中熱電偶測溫精度分析

一、前言

熱電偶是依靠熱介質(zhì)將熱量傳給它的熱端，根據(jù)賽貝克（Seeback）效應(yīng)產(chǎn)生的熱電勢大小來判斷溫度高低的。熱介質(zhì)向熱端傳熱的前提是必須有溫差的存在。因此測得的溫度并不是實際的熱介質(zhì)溫度，即存在著測溫誤差。如果再考慮到測溫系統(tǒng)各組成部分的誤差，測溫的動態(tài)誤差，氣流及熱交換引起的誤差等項的影響，實際的測溫誤差可達30℃~50℃，甚至可能超過100℃，對產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量的影響是很大的。

機械廠的鍛造加熱爐、熱處理爐，工業(yè)用窯爐及化工反應(yīng)釜等都需控制溫度（600℃以上），有的還要嚴格控制溫度（測溫允差≤5℃），因此提高熱電偶測溫精度是十分必要的。例如某些合金鋼的始鍛溫度不準，會使鍛件在鍛造時開裂或鍛造溫度范圍過窄，增加了火次和燒損。熱處理溫度控制不準，影響金屬內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)和機械性能。窯爐控溫不準，影響燒制件質(zhì)量。化學(xué)反應(yīng)控溫不準，會有危險。

當前采用的自動控溫系統(tǒng)，可以消除某些測溫誤差，卻不能基本上消除測溫誤差。因為測溫系統(tǒng)中各部件選擇、安裝不合理，熱工參數(shù)選擇不當，沒有采取減小測溫誤差的適當措施，依然會產(chǎn)生較大的測溫誤差。

本文應(yīng)用誤差理論，綜合分析了熱電偶測溫時各種測溫誤差產(chǎn)生的原因、減少測溫誤差應(yīng)采用的措施。

二、測溫系統(tǒng)各部件產(chǎn)生的測溫誤差

1. 熱電偶材料不均引起的測溫誤差

用退火法不能完全消除。慈孝誤差雖屬系統(tǒng)誤差，但其大小無法估計，一般并入熱電偶分度誤差中考慮。

2. 熱電偶的分度誤差

熱電偶的熱電特性與統(tǒng)一分度表的差值，常給定極限范圍。例如鉑銠——鉑熱電偶測溫超過600℃時，允許誤差范圍為被測溫度的±0.5%（超過±3℃）。此項誤差屬系統(tǒng)誤差，定期對熱電偶進行校驗，可僅考慮校驗誤差。

3. 補償導(dǎo)線與熱偶絲熱電特性不同引起的測溫誤差

誤差值較小，可以忽略。例如鉑銠——鉑熱電偶的冷鍛低于100℃時，誤差值僅為±0.03℃。

4. 熱電偶安裝位置引起的測溫誤差

當溫度梯度較大時，熱電偶的熱端應(yīng)準確地位于待測溫度點。否則將引起較大的測溫誤差。

5. 冷端溫度t0的補償誤差

采用機械零點調(diào)節(jié)法時，需將機械零點調(diào)至E（t0，0）處，這里既包含了t0的測試誤差，儀表調(diào)整及示值誤差，還有t0不斷變化引起的誤差。這個誤差值較大而且計算麻煩。

采用冷端恒溫（但t0≠0）補償或電橋補償時，存在著冷端溫度變化范圍內(nèi)的非線性誤差。采用控溫系統(tǒng)，此項誤差可基本消除。

6. 顯示儀表的示值誤差

由顯示儀表的精度確定。

7. 線路電阻值引起的誤差

動圈式儀表對外接總電阻值有嚴格的要求，當R線值有偏差或隨時間變化時，會引起測溫誤差。

8. 自動控溫系統(tǒng)各元件的輸出誤差及反饋時間之后引起的誤差

以上各項誤差是相互獨立的，其中1至4項為未定系統(tǒng)誤差，宜用絕對和法合成。5至8項為隨機誤差，應(yīng)按獨立隨機誤差求和公式合成。

三、動態(tài)測溫誤差

由于熱電偶是一個時間常數(shù)的一階測試系統(tǒng)。當被測溫度變化時，熱電偶及其顯示儀表因熱慣性和機械慣性來不及立即顯示變化了的溫度，產(chǎn)生動態(tài)測溫誤差，包括在測量恒溫階段、等速升溫階段、自動控溫階段三個階段的誤差。

欲減小動態(tài)測溫誤差，必須減小熱電偶的時間常數(shù)。工業(yè)用熱電偶=30~60秒，故經(jīng)過2~5分鐘后才能近似地反映穩(wěn)態(tài)溫度。

欲減小值，常用的辦法有：

1選用導(dǎo)熱系數(shù)大的熱偶絲材料（熱阻?。?。

2減小熱偶絲體積（熱容?。?。

3增加熱氣流的速度。

四、熱氣流產(chǎn)生的測溫誤差

燃煤（油）爐的爐膛、煙道、煙囪內(nèi)有熱氣流流過，化工反應(yīng)管道中也有熱氣（液）體流過。這時，運動中熱介質(zhì)總能量定于分子無規(guī)則運動的平均動能Q靜與規(guī)則運動的動能Q動之和。測量氣流速度較高的總溫時，要求使用穩(wěn)定的具有較高恢復(fù)系數(shù)的熱電偶，高精度測溫時應(yīng)對熱電偶逐個進行恢復(fù)系數(shù)γ值得檢定。

五、熱交換產(chǎn)生的測溫誤差

熱電偶感受到的溫度減去實際測得的溫度即為測溫誤差，該誤差的原因是存在著熱傳導(dǎo)、對流換熱及熱輻射等項損失。

一、欲減小因熱傳導(dǎo)引起的測溫誤差應(yīng)采取以下措施：

1將露在爐壁外的熱電偶端部保溫隔熱，減小端部向大氣散熱。

2熱電偶應(yīng)盡可能多地插入爐膛內(nèi)。

3采用外徑小的熱偶絲。

4當測煙道內(nèi)溫度時，熱電偶熱端應(yīng)盡量位于煙道中心線上，這時熱氣流與熱電偶之間放熱系數(shù)******

5熱偶絲的導(dǎo)熱系數(shù)值盡量取小一些，可以減小測溫誤差

二、欲減小對流換熱產(chǎn)生的測溫誤差，可采取如下措施：

1增大氣流速度，可采用抽氣熱電偶。

2采用直徑小且裸露的熱電偶。

3減小氣體壓力。

三、欲減小由熱輻射損失引起的測溫誤差，可采取如下措施：

1在熱電偶外面加裝（2~3）層隔離罩，使熱端與內(nèi)罩內(nèi)壁的溫差很小，幾乎沒有輻射損失。而外罩外壁與爐膛內(nèi)壁的輻射熱交換，對測溫沒有影響。

2選用表面全輻射溫度系數(shù)較小的保護套，如耐熱合金鋼，減小熱電偶表面的全輻射。

3爐膛外壁加保溫材料以增大爐內(nèi)壁溫度。

4用零直徑外推法求爐溫。

5雙熱電偶法測爐溫。

6增加對流換熱系數(shù)。

五、推薦

綜上所述，部分測量誤差是不可避免的，輝達工控XMB系列儀表均為萬能分度號輸入，其中熱電偶輸入可測B型、R型、S型、N型、K型、E型、J型、T型、Wre型和輻射高溫計F1型、F2型，各分度號的測量精度均達到0.5%，測溫誤差小精度高，能滿足不同客戶不同溫度段的控溫需求。

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