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熱電偶溫度偏差及跳變問題的8個原因及處理解決方案

來源:www.kimmosasi.net作者:發表時間:2020-11-30

        摘 要: 熱電偶是溫度測量中常用的溫度測量元件。它直接影響測量環境的溫度。它可以將溫度控製信號轉換成熱電動勢信號,然後通過溫度測量儀器轉換成被測物體的溫度。與其他溫度測量元件相比,熱電偶具有較高的測量精度,較寬的測量範圍,快速的響應速度,對溫度變化的靈活響應以及高達毫秒的響應時間。但是,在溫度測量過程中,它仍然會受到許多因素的影響,例如: 測量環境溫度場,電磁幹擾,安裝位置和深度,絕緣材料和保護管材料的選擇等,都可能影響最終測量效果。本文對熱電偶在實際工作溫度測量過程中的溫度偏差和跳變問題進行了簡單分析,並提出了相應的解決方案,為熱電偶在實際工作測量中的應用提供參考。

 
一、熱電偶測溫原理
       熱電偶根據熱電效應來測量溫度。它是由具有不同成分的導體或半導體的兩端形成一個回路。當兩端都存在溫度梯度時,回路中將有電流順暢流動。此時,在兩端之間存在電動勢-熱電動勢。在實際溫度測量過程中,一端斷開,另一端焊接在一起。
 
二、熱電偶測溫偏差及跳變產生的原因
       熱電偶測量過程可能受許多因素影響,或者可能是以下因素:
( 一) 熱電偶檢準、標定時引入的偏差由於熱電偶已在實驗室中進行了校準和校準,因此放置在實驗室中的平衡時間不足以避免因值變動,校準人員的技術水平以及驗證係統維護不足而引起的偏差。這是原因。
 ( 二) 測量點的選取
       熱電偶的位置和深度,即測量點的選擇非常重要。溫度測量點的位置應盡可能靠近要測量的溫度點。溫度測量點應避免強烈的電磁場幹擾源,或者加熱設備不要太靠近。如果無法避免,則必須采取相應的措施。
 ( 三) 測量過程中是否受到滋擾
       測量過程中遇到的煩人問題主要是由於熱電偶內部和外部的環境原因。內部原因,不良的熱電偶絕緣會嚴重影響精確的熱電偶測量。扭曲所測得的熱電勢以製造顯示設備,即使絕緣無法正常工作,扭曲也會因絕緣性能下降而引起各種偏離。例如,熱電極絕緣的瓷管的絕緣電阻較低,這會繞開熱電流並導致測量偏差。保護管和端子的汙染會導致絕緣不良和接觸不良,從而影響熱電偶的響應時間,還可能引起熱電偶幹擾和溫度漂移。外部原因很容易受到變壓器,大功率電動機,變頻器等的影響。我在一次分體式空調測試時,第一次沒有測量壓縮機溫度,所有溫度點都正常。在第二次測量壓縮機溫度時,沒有打開壓縮機台架,溫度點正常,當打開壓縮機台架後,很多溫度點產生了很大的波動,特別是壓縮機段測溫點,當時檢查了所有熱電偶和設備,都是正常的,後來在壓縮機台架變頻器內增加了濾波器,果然溫度都正常了。所以測量時一定要考慮環境中是否有幹擾。
 ( 四) 熱惰性引入的偏差
       這種環境相對複雜,並且與場景中的許多因素有關。因 此,選擇產品時必須仔細考慮所有因素。因此,請使用熱電偶線較細且保護管直徑較小的熱電偶。如果情況允許,可以卸下保護管。由於測量的延遲,由熱電偶測量的溫度波動將小於實際溫度波動。滯後測量值越大,熱電偶波動的幅度越小,實際溫差越大。當使用熱響應時間長的熱電偶測量或控製溫度時,設備的溫度幾乎不受波動的影響,但實際的環境溫度波動可能會很大。為了精確的測量溫度,該當選擇熱響應時間小的熱電偶。使用中,通常應采取導熱性能好、管壁薄、內徑小的保護層。如果需要快速,準確的溫度測量,可以使用裸線熱電偶,但是裸線熱電偶很容易被汙染和破壞,必須實時校準或更換。了解現場的所有關鍵點,了解測量要求並選擇合適的設備是現場操作員的責任。
 ( 五) 熱電極的玷汙和腐蝕
       熱電偶線細,軟且容易變形。如果熱電偶的塑性變形( 例如不正確的彎曲或扭曲) 引起熱電偶絲的變形應力,則熱電偶的熱電技術特性會發生變形,熱電偶也會發生變形。評估研究結果可能會產生影響。因此,測量前必然要把熱電偶絲拉直。當熱電偶絲被汙染,乃至被氧化時,會使熱電極偶絲表麵不光亮、發黑發暗。目前,用於熱電極的熱電材料的性能還不是很安全和穩定,並且測量係統的數據還相對不準確。因此,有必要清潔被汙染的電極並去除這些被汙染的物體。熱電偶絲表麵汙染的程度越大,熱電特性改變就越大,由此偏差就越大。
( 六) 補償不當引入的偏差
       從熱電偶溫度測量原理可以看出,僅當熱電偶冷端的溫度穩定時,熱電勢才能與測得的溫度對應 1 ∶ 1。在實際使用中,熱電偶放置在現場設備上,其冷端暴露在空氣中,並受到環境溫度場的影響。同時,如果熱電偶的冷端接近熱端,則冷端的溫度將很困難。它很穩定,會引起測量偏差。
 ( 七) 熱電偶接線盒內部受汙染
       接線盒的目的是為了方便連接補償導線和熱電偶線,以及保護熱電偶免受汙染。雖然接線盒的工藝越來越先進,但是仍然不能保證灰塵、導電液體等的侵入,導致可靠性不能保證,也會在測量過程中出現溫度跳變問題。
 ( 八) 響應時間的影響
       熱電偶電極和保護管越厚,熱電偶壁越厚,熱電偶將越惰性,這將增加熱電偶穩定,創建不同材料並具有更高導熱率的時間。不同的是,它也會影響響應時間。因此,正常的驗證過程需要根據熱電偶的類型選擇適當的加熱速率和熱平衡時間。
 
三、對熱電偶溫度偏差及跳變問題的解決方案
( 一) 熱電偶檢準、標定
       為了避免在檢查過程中引入偏差,應嚴格遵守檢查過程中的檢查規則。檢查員必須通過評估合格,並具有項目相關計量部門頒發的證書。為了確保價值傳輸的準確性,必須將使用的標準設備發送給合法的計量檢查員或經認可的計量機構,以便及時進行驗證。計量驗證係統按計劃進行維護。由於頻繁使用,每個通道開關的觸點很容易弄髒,導致長期使用後接觸不良並影響測量數據。因此,使用一段時間後,可以用無水酒精清潔每個通道開關的觸點。
 ( 二) 測溫點的正確選擇
       熱電偶安置時應盡量接近要測的溫度點。測量流體溫度時,熱電偶測量端應盡量處於液體中間,並使其與被測流體方向相對。為避免產生熱量沿熱電偶轉走或防止環境保護管影響被測溫度,熱電偶應浸入所測流體技術當中,深度發展最少為直徑的 10 倍。在測量固體溫度時,熱電偶應與該物體緊密地接觸。為了使偏差值減至最小,應保證周圍的溫度場穩定。熱電偶應盡量安裝在沒有震動或震動很小的地方,盡量不要安裝在拐彎處。
 ( 三) 選擇合適的保護管材料和絕緣材料
       溫度測量除了需要快速測量外,還需要使用裸露的熱電偶以提高響應速度,在正常使用期間需要增加保護管。保護管材料的選擇對熱電偶的穩定性有很大影響,因此有必要根據實際使用條件選擇合適的保護管。絕緣層材料的選擇也是一個更重要的因素,因為它也是引起溫度跳變的關鍵因素之一。絕緣材料的選擇需要耐高溫,耐腐蝕,薄壁和耐磨性。
 ( 四) 補償方法的正確選擇
       為了減小或消弭因熱電偶冷端溫度變化而發生的測量偏差,這時候就必須采取冷端補償措施,補償方法有: 熱電勢修正法、補償導線法、參考端溫度補償法、冷端溫度補償器。熱電偶與冷端溫度補償器連接時注意極性千萬不能接錯; 補償器必需定期檢查和檢定。
 
       在實際使用補償導線時,要特別注意以下幾個方麵: ( 1) 補償導線選擇相對應型號的熱電偶,不能混用。若是用普通導線來取代補償導線,就起不到補償作用,反而會下降測溫的準確性。 ( 2) 補償導線在與熱電偶、測量儀表連接時,必然要注意補償導線的正負極與熱電偶的正負極相連接,不然測溫偏差反而增大。 ( 3) 使用的補償導線,在溫區內,其熱電勢與原熱電偶要一致,確保測量的準確性。 
 
( 五) 抗幹擾措施
       ( 1) 選擇帶絕緣層和屏蔽層的熱電偶,采用聚氯乙烯或者聚四氟乙烯做護套,將護套緊密包在絕緣層上。可將熱電偶線絞起來,在測試設備電源上加裝濾波器或熱電偶線上加裝濾波磁環,實現更佳的抗幹擾效果。 ( 2) 將熱電偶的測量端或者參考端接地,被測物體也需要共同接地,選擇接地線需要選擇耐高溫且對熱電偶無害的金屬線。( 3) 將熱電偶懸空放置在空氣中,以免熱電偶與任何物體發生接觸。可以很好地預防漏電或者高溫幹擾。 
 
四、結語
       通過文中分析可知,溫度進行測量時準確性會受諸多外界因素的影響,因此如果實際測量時不考慮其他因素,安裝時不檢查是否有幹擾、安裝不當、儀表精度不夠等,隨便選擇熱電偶分度號都將會影響測量結果的精確性。目前標準熱電偶有 8 種,隻有全麵考慮,在實際使用時根據當時使用條件進行有效分析選擇適當的熱電偶,才可以得到精確測量結果。同 時,應該繼續加強和研究業務,隨著越來越豐富的工作經驗,可以確保測量值的準確性和可靠性。
 
       簡而言之,必須總結和分析在測量過程中發生的每個問題,並應調查問題的根源以詢問原因,以有效避免下一個熱電偶溫度偏差和跳變問題。我在實際使用過程中總結經驗,發現先使用鋁箔將熱電偶包裹在被測物體上,用手捏平,然後外加一層保溫棉,最後用兩根紮帶將熱電偶測溫點前後紮緊,能夠有效地減少或消除熱電偶溫度偏差及跳變問題的產生。