热电偶作为测温的一次元件,因其结构简单、测量精度高、动态响应快和测温范围广以及可远距离测量等优点而得到广泛应用,但是在实际测温工作中,热电偶参考端的温度常随环境温度的变化而变化,且热电偶安装位置是否得当,使用气氛是否适应,都会直接影响测量数据的准确度。为达到精确测量温度的目的,下面分几个方面对正确使用热电偶逐一进行论述。
1、热电偶的选用
正确地选择热电偶是合理使用热电偶的前提,不但可以准确地得到温度数值、保证产品质量和安全,而且还可以节省热电偶材料的消耗。
热电偶的选择,首先应根据被测温度的上限和使用环境来选择热电偶的热电极和保护套管,其次根据被测对象的结构和安装特点来选择热电偶的规格尺寸。热电偶按结构形式可分为:普通工业型、铠装型、高性能实体型和特种型热电偶。常见的普通工业型热电偶有铂铑10-铂热电偶、镍铬-镍硅热电偶以及铜-康铜热电偶等几种。表1是一个生产选用的示例。
铠装型热电偶是将热电极丝装在有绝缘材料的金属套管中,经组合加工成可弯曲的坚实的组合体,再依所需长度截断,对其测量端和参考端进行加工即制成。该热电偶可以做得很细很长,在使用中可随测量需要而弯曲。其测量范围宽、响应速度快、接热点处的热容量小、使用寿命长,同时机械强度高、耐压性能高、适应性广、绕性大、安装使用方便,应用极其广泛。
2、补偿导线的正确选用
补偿导线是指连接热电偶接线盒与温度指示仪表的一对带有绝缘层的导线。选用补偿导线要特别注意:它的热电特性只在一定的温度范围(0~100℃)与热电偶近似,各种补偿导线只能与相应的热电偶配用,因为不同导线的热电特性不同,在同一温度下补偿电势的大小也不同。各种热电偶都有相对应的补偿导线,如表2所示。正确使用补偿导线,不但可以将热电偶的参考端延伸到远离热源或温度较恒定的地方,改善其测量线路的机械物理性能,而且还能降低测量线路的成本,提高测温准确性,起到补偿温度的作用,这一点是普通导线所不具备的。补偿导线可以作为所配热电偶的延长线,但应当指出,它并不能消除冷端温度不为0℃的影响。补偿导线的使用还应注意,其连接点的温度应相同,且不能超过规定的使用范围(普通型不大于100℃,耐热性不大于200℃),同时保证其与热电偶连接时极性不得接反,否则将产生附加热电动势,对回路总热电动势产生影响,从而增大测温误差。
3、参考端温度处理
为使热电偶的热电势与测量端温度(T)有单值的函数关系,必须进行参考端温度(T0)处理,即保持参考端温度(T0)恒定,并消除T0≠0所产生的误差。主要应用的方法有计算法、调零法、冰点法、补偿导线法和桥路补偿法。此处介绍计算法和能够自动补正的桥路补偿法。
3.1计算法
式中:EAB(T,T0)为工作端温度T、参考端温度T0=0时的热电动势;EAB(T,T′0)为工作端温度T、参考端温度T′0≠0时的热电动势;EAB(T′0,T0)为工作端温度T′0、参考温度T≠0时的热电势值。只要有该种热电偶的分度表,则从分度表上查得EAB(T′0,0)值,将此值与测量值EAB(T,T′0)求和,即可计算出EAB(T,0),再查该种热电偶的分度表,即可求得工作端温度为T。
3.2桥路补偿法
在热电偶测量电路中,串接一个不平衡电桥,当热电偶随参考端温度升高而下降某个毫伏值时,串联在电路中的桥路输出毫伏值正好上升某一值,从而保证热电偶在参考端温度变化时,其输出总值不变,补偿电路如图2所示。桥路中R1、R2、R3是锰铜绕制的电阻,Rj是用铜或镍线绕制的电阻,后者的温度系数大于锰铜电阻温度系数。
当桥路处温度为0℃时,调整桥路Eab=0,此时有
R1R2=R3Rj
当桥路处温度不为0℃时(高于0℃),由于温度变化使四个桥臂电阻发生变化ΔRj>ΔR1、ΔR2、ΔR3,此时a点电位高于b点电位,因桥路串联在热电偶电路中,则:
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故EAB(T,T0)=EAB(T),即输出总值不变。目前桥路补偿器基准温度为20℃,在使用时,所配显示仪表要进行机械零点调整,即毫伏表指针应从0℃调至20℃的位置,否则指示值会比实际值产生20℃偏差。
4、热电偶的定期检查与检定
热电偶经一段时间使用后,由于热电极的高温挥发、晶粒组织变化、氧化腐蚀等原因,常出现老化变质,称为热电偶的劣化,这会使热电偶的热电特性改变,造成测温误差。常用热电偶变质程度如表3所示。为此必须准确推断劣化程度以便维修更换,同时要做定期检定,以保证精确测量。
为避免浪费,宜对劣化程度不严重的热电偶进行维修。维修时首先进行清洗,分为酸洗和硼酸钠清洗,目的是除去表面污物,改善其热电偶特性,延长热电偶寿命。然后进行退火处理,目的是清除电极中内应力,改善热电偶晶相,提高热电偶稳定性。通常退火有通电退火、炉内退火两种方法。经过上述方法处理,鉴定合格后,可重新投入使用。
针对劣化这种不可避免的量化过程,可采取以下对策:①用耐热钢管替代不锈钢保护管;②防止还原性气体深入,可采用复合管型实体热电偶。
另外,热电偶存在零点漂移的问题,而且漂移方向均为负偏差。在工业生产中,稍不注意就会发生工件过烧的质量事故,所以热电偶要严格按照检定周期进行周期检定。热电偶检定应严格按照国家检定规程进行。
5、正确的安装
热电偶的安装一般在产品说明书中均有介绍。因为热电偶测温的感温部分是“感温点”,为了保证测量结果的真实可靠,在实际应用中应多注意以下几方面:
①热电偶安装的位置应尽可能靠近预测的温度控制点,使其测量端与被测介质充分接触,远离强磁场和强电场。
②热电偶应有足够的插入深度,最少不小于热电偶保护套管的外径的10倍。接线盒不可与被测介质容器壁或管壁接触。
③当被测介质具有负压时,热电偶安装必须密封,以免影响测量的准确性。
④热电偶的安装位置应尽量保持垂直,防止保护管在高温下产生变形。但在有流速的情况下,热电偶必须倾斜安装,倾斜45°为佳,且与介质流动方向相逆,并尽量安装在管道的弯曲处。需要水平安装的热电偶,应有耐火砖或耐热金属支架支撑,防止保护套管受热变形或受碰撞而折断。
