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热电偶温度偏差及跳变问题的8个原因及处理解决方案

来源:www.designsbykn.com作者:发表时间:2020-11-30

        摘 要: 热电偶是温度测量中常用的温度测量元件。它直接影响测量环境的温度。它可以将温度控制信号转换成热电动势信号,然后通过温度测量仪器转换成被测物体的温度。与其他温度测量元件相比,热电偶具有较高的测量精度,较宽的测量范围,快速的响应速度,对温度变化的灵活响应以及高达毫秒的响应时间。但是,在温度测量过程中,它仍然会受到许多因素的影响,例如: 测量环境温度场,电磁干扰,安装位置和深度,绝缘材料和保护管材料的选择等,都可能影响最终测量效果。本文对热电偶在实际工作温度测量过程中的温度偏差和跳变问题进行了简单分析,并提出了相应的解决方案,为热电偶在实际工作测量中的应用提供参考。

 
一、热电偶测温原理
       热电偶根据热电效应来测量温度。它是由具有不同成分的导体或半导体的两端形成一个回路。当两端都存在温度梯度时,回路中将有电流顺畅流动。此时,在两端之间存在电动势-热电动势。在实际温度测量过程中,一端断开,另一端焊接在一起。
 
二、热电偶测温偏差及跳变产生的原因
       热电偶测量过程可能受许多因素影响,或者可能是以下因素:
( 一) 热电偶检准、标定时引入的偏差由于热电偶已在实验室中进行了校准和校准,因此放置在实验室中的平衡时间不足以避免因值变动,校准人员的技术水平以及验证系统维护不足而引起的偏差。这是原因。
 ( 二) 测量点的选取
       热电偶的位置和深度,即测量点的选择非常重要。温度测量点的位置应尽可能靠近要测量的温度点。温度测量点应避免强烈的电磁场干扰源,或者加热设备不要太靠近。如果无法避免,则必须采取相应的措施。
 ( 三) 测量过程中是否受到滋扰
       测量过程中遇到的烦人问题主要是由于热电偶内部和外部的环境原因。内部原因,不良的热电偶绝缘会严重影响精确的热电偶测量。扭曲所测得的热电势以制造显示设备,即使绝缘无法正常工作,扭曲也会因绝缘性能下降而引起各种偏离。例如,热电极绝缘的瓷管的绝缘电阻较低,这会绕开热电流并导致测量偏差。保护管和端子的污染会导致绝缘不良和接触不良,从而影响热电偶的响应时间,还可能引起热电偶干扰和温度漂移。外部原因很容易受到变压器,大功率电动机,变频器等的影响。我在一次分体式空调测试时,第一次没有测量压缩机温度,所有温度点都正常。在第二次测量压缩机温度时,没有打开压缩机台架,温度点正常,当打开压缩机台架后,很多温度点产生了很大的波动,特别是压缩机段测温点,当时检查了所有热电偶和设备,都是正常的,后来在压缩机台架变频器内增加了滤波器,果然温度都正常了。所以测量时一定要考虑环境中是否有干扰。
 ( 四) 热惰性引入的偏差
       这种环境相对复杂,并且与场景中的许多因素有关。因 此,选择产品时必须仔细考虑所有因素。因此,请使用热电偶线较细且保护管直径较小的热电偶。如果情况允许,可以卸下保护管。由于测量的延迟,由热电偶测量的温度波动将小于实际温度波动。滞后测量值越大,热电偶波动的幅度越小,实际温差越大。当使用热响应时间长的热电偶测量或控制温度时,设备的温度几乎不受波动的影响,但实际的环境温度波动可能会很大。为了精确的测量温度,该当选择热响应时间小的热电偶。使用中,通常应采取导热性能好、管壁薄、内径小的保护层。如果需要快速,准确的温度测量,可以使用裸线热电偶,但是裸线热电偶很容易被污染和破坏,必须实时校准或更换。了解现场的所有关键点,了解测量要求并选择合适的设备是现场操作员的责任。
 ( 五) 热电极的玷污和腐蚀
       热电偶线细,软且容易变形。如果热电偶的塑性变形( 例如不正确的弯曲或扭曲) 引起热电偶丝的变形应力,则热电偶的热电技术特性会发生变形,热电偶也会发生变形。评估研究结果可能会产生影响。因此,测量前必然要把热电偶丝拉直。当热电偶丝被污染,乃至被氧化时,会使热电极偶丝表面不光亮、发黑发暗。目前,用于热电极的热电材料的性能还不是很安全和稳定,并且测量系统的数据还相对不准确。因此,有必要清洁被污染的电极并去除这些被污染的物体。热电偶丝表面污染的程度越大,热电特性改变就越大,由此偏差就越大。
( 六) 补偿不当引入的偏差
       从热电偶温度测量原理可以看出,仅当热电偶冷端的温度稳定时,热电势才能与测得的温度对应 1 ∶ 1。在实际使用中,热电偶放置在现场设备上,其冷端暴露在空气中,并受到环境温度场的影响。同时,如果热电偶的冷端接近热端,则冷端的温度将很困难。它很稳定,会引起测量偏差。
 ( 七) 热电偶接线盒内部受污染
       接线盒的目的是为了方便连接补偿导线和热电偶线,以及保护热电偶免受污染。虽然接线盒的工艺越来越先进,但是仍然不能保证灰尘、导电液体等的侵入,导致可靠性不能保证,也会在测量过程中出现温度跳变问题。
 ( 八) 响应时间的影响
       热电偶电极和保护管越厚,热电偶壁越厚,热电偶将越惰性,这将增加热电偶稳定,创建不同材料并具有更高导热率的时间。不同的是,它也会影响响应时间。因此,正常的验证过程需要根据热电偶的类型选择适当的加热速率和热平衡时间。
 
三、对热电偶温度偏差及跳变问题的解决方案
( 一) 热电偶检准、标定
       为了避免在检查过程中引入偏差,应严格遵守检查过程中的检查规则。检查员必须通过评估合格,并具有项目相关计量部门颁发的证书。为了确保价值传输的准确性,必须将使用的标准设备发送给合法的计量检查员或经认可的计量机构,以便及时进行验证。计量验证系统按计划进行维护。由于频繁使用,每个通道开关的触点很容易弄脏,导致长期使用后接触不良并影响测量数据。因此,使用一段时间后,可以用无水酒精清洁每个通道开关的触点。
 ( 二) 测温点的正确选择
       热电偶安置时应尽量接近要测的温度点。测量流体温度时,热电偶测量端应尽量处于液体中间,并使其与被测流体方向相对。为避免产生热量沿热电偶转走或防止环境保护管影响被测温度,热电偶应浸入所测流体技术当中,深度发展最少为直径的 10 倍。在测量固体温度时,热电偶应与该物体紧密地接触。为了使偏差值减至最小,应保证周围的温度场稳定。热电偶应尽量安装在没有震动或震动很小的地方,尽量不要安装在拐弯处。
 ( 三) 选择合适的保护管材料和绝缘材料
       温度测量除了需要快速测量外,还需要使用裸露的热电偶以提高响应速度,在正常使用期间需要增加保护管。保护管材料的选择对热电偶的稳定性有很大影响,因此有必要根据实际使用条件选择合适的保护管。绝缘层材料的选择也是一个更重要的因素,因为它也是引起温度跳变的关键因素之一。绝缘材料的选择需要耐高温,耐腐蚀,薄壁和耐磨性。
 ( 四) 补偿方法的正确选择
       为了减小或消弭因热电偶冷端温度变化而发生的测量偏差,这时候就必须采取冷端补偿措施,补偿方法有: 热电势修正法、补偿导线法、参考端温度补偿法、冷端温度补偿器。热电偶与冷端温度补偿器连接时注意极性千万不能接错; 补偿器必需定期检查和检定。
 
       在实际使用补偿导线时,要特别注意以下几个方面: ( 1) 补偿导线选择相对应型号的热电偶,不能混用。若是用普通导线来取代补偿导线,就起不到补偿作用,反而会下降测温的准确性。 ( 2) 补偿导线在与热电偶、测量仪表连接时,必然要注意补偿导线的正负极与热电偶的正负极相连接,不然测温偏差反而增大。 ( 3) 使用的补偿导线,在温区内,其热电势与原热电偶要一致,确保测量的准确性。 
 
( 五) 抗干扰措施
       ( 1) 选择带绝缘层和屏蔽层的热电偶,采用聚氯乙烯或者聚四氟乙烯做护套,将护套紧密包在绝缘层上。可将热电偶线绞起来,在测试设备电源上加装滤波器或热电偶线上加装滤波磁环,实现更佳的抗干扰效果。 ( 2) 将热电偶的测量端或者参考端接地,被测物体也需要共同接地,选择接地线需要选择耐高温且对热电偶无害的金属线。( 3) 将热电偶悬空放置在空气中,以免热电偶与任何物体发生接触。可以很好地预防漏电或者高温干扰。 
 
四、结语
       通过文中分析可知,温度进行测量时准确性会受诸多外界因素的影响,因此如果实际测量时不考虑其他因素,安装时不检查是否有干扰、安装不当、仪表精度不够等,随便选择热电偶分度号都将会影响测量结果的精确性。目前标准热电偶有 8 种,只有全面考虑,在实际使用时根据当时使用条件进行有效分析选择适当的热电偶,才可以得到精确测量结果。同 时,应该继续加强和研究业务,随着越来越丰富的工作经验,可以确保测量值的准确性和可靠性。
 
       简而言之,必须总结和分析在测量过程中发生的每个问题,并应调查问题的根源以询问原因,以有效避免下一个热电偶温度偏差和跳变问题。我在实际使用过程中总结经验,发现先使用铝箔将热电偶包裹在被测物体上,用手捏平,然后外加一层保温棉,最后用两根扎带将热电偶测温点前后扎紧,能够有效地减少或消除热电偶温度偏差及跳变问题的产生。