熱電偶直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，通過(guò)顯示儀表轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。熱電偶測(cè)溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過(guò)，此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢(shì)-熱電動(dòng)勢(shì)，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個(gè)恒定的溫度下。根據(jù)熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶分度表；分度表是自由端溫度在0℃時(shí)的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。熱電偶測(cè)溫基本原理：將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接 起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)結(jié)合點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，因而在回路中形成一個(gè)大小的電流，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來(lái)工作的。熱電偶的使用方 法，如熱電偶的測(cè)試點(diǎn)的選擇、插入深度、響應(yīng)時(shí)間等都會(huì)造成熱電偶的測(cè)量誤差。
測(cè)量誤差的主要影響因素
1、熱電偶插入深度的影響
①測(cè)溫點(diǎn)的選擇
熱電偶的安裝位置，即測(cè)溫點(diǎn)的選擇是最重要的。測(cè)溫點(diǎn)的位置，對(duì)于生產(chǎn)工藝過(guò)程而言，一定要具有典型性、代表性，否則將失去測(cè)量與控制的意義。
②插入深度
熱電偶插入被測(cè)溫場(chǎng)時(shí)，沿著傳感器的長(zhǎng)度方向?qū)a(chǎn)生熱流。當(dāng)環(huán)境溫度低時(shí)就會(huì)有熱損失。致使熱電偶與被測(cè)對(duì)象的溫可度不一致而產(chǎn)生測(cè)溫誤差。總之，由熱傳導(dǎo)而引起的誤差，與插入深度有關(guān)。而插入深度又與保護(hù)管材質(zhì)有關(guān)。金屬保護(hù)管因其導(dǎo)熱性能好，其插入深度應(yīng)該深一些(約為直徑的15倍)，陶瓷材料絕熱性能好，可插入淺一些。
2、響應(yīng)時(shí)間的影響
接觸法測(cè)溫的基本原理是測(cè)溫元件要與被測(cè)對(duì)象達(dá)到熱平衡。因此，在測(cè)溫時(shí)需要保持一定時(shí)間，才能使兩者達(dá)到熱平衡。而保持時(shí)間的長(zhǎng)短，同測(cè)溫元件的熱響應(yīng)時(shí)間有關(guān)。而熱響應(yīng)時(shí)間主要取決于傳感器的結(jié)構(gòu)及測(cè)量條件，差別極大。對(duì)于氣體介質(zhì)，尤其是靜止氣體，至少應(yīng)保持30分鐘以上才能達(dá)到平衡，航標(biāo)中規(guī)定每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的保溫時(shí)間也要30分鐘；對(duì)于液體而言，最快也要在10分鐘以上。
對(duì)于溫度不斷變化的被測(cè)場(chǎng)所，尤其是瞬間變化過(guò)程，全過(guò)程僅1s，則要求傳感器的響應(yīng)時(shí)間在毫秒級(jí)。因此，普通的溫度傳感器不僅跟不上被測(cè)對(duì)象的溫度變化速度出現(xiàn)滯后，而且也會(huì)因達(dá)不到熱平衡而產(chǎn)生測(cè)量誤差。最好選擇響應(yīng)快的傳感器。對(duì)熱電偶而言除受保護(hù)管影響外，熱電偶的測(cè)量端直徑也是其主要因素，即偶絲越細(xì)，測(cè)量端直徑越小，其熱影響時(shí)間越短。
3、熱輻射的影響
插入爐內(nèi)用于測(cè)溫的熱電偶，將被高溫物體發(fā)出的熱輻射加熱。假定爐內(nèi)氣體是透明的，而且，熱電偶與爐壁的溫差較大時(shí)，將因能量交換而產(chǎn)生測(cè)溫誤差，為了減少熱輻射誤差，應(yīng)增大熱傳導(dǎo)，并使?fàn)t壁溫度盡可能接近熱電偶的溫度。另外，在熱電偶安裝還應(yīng)注意以下事項(xiàng)：①熱電偶安裝位置應(yīng)盡可能避開(kāi)從固體發(fā)出的熱輻射，使其不能輻射到熱電偶表面；②熱電偶最好帶有熱輻射遮蔽套。
4、熱阻抗增加的影響
在高溫下使用的熱電偶，如果被測(cè)介質(zhì)為氣態(tài)，那么保護(hù)管表面沉積的塵土等將燒熔在表面上，使保護(hù)管的熱阻抗增大；如果被測(cè)介質(zhì)是熔體，在使用過(guò)程中將有爐渣沉積，不僅增加了熱電偶的響應(yīng)時(shí)間，而且還使指示溫度偏低。因此，除了定期檢定外，為了減少誤差，經(jīng)常抽檢也是必要的。
熱電偶測(cè)溫應(yīng)注意的事項(xiàng)
1、熱電偶偶絲不均質(zhì)影響
①熱電偶材質(zhì)本身不均質(zhì)
熱電偶在計(jì)量部門(mén)檢定時(shí)，按規(guī)程要求，插入檢定爐內(nèi)的深度只有300mm。因此每支熱電偶的檢定結(jié)果，確切地說(shuō)只能體現(xiàn)或主要體現(xiàn)出從測(cè)量端開(kāi)始300mm長(zhǎng)偶絲的熱電行為，然而，當(dāng)熱電偶的長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，則大部分偶絲處于高溫區(qū)，如果熱電偶絲是均質(zhì)的，那么依據(jù)均質(zhì)回路定律，測(cè)量結(jié)果與長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。然而，任何一個(gè)熱電偶絲并非均質(zhì)，尤其是廉金屬熱電偶絲其均質(zhì)性較差，又處于具有溫度梯度的場(chǎng)合，溫度梯度常常是不規(guī)則的，在整個(gè)回路中也不一定保持一個(gè)方向，同時(shí)大小和位置也是不斷變化的，偶絲必須在其整個(gè)長(zhǎng)度范圍內(nèi)保持均勻，這樣獲得的電勢(shì)信號(hào)才可信。
在現(xiàn)有貴金屬、廉金屬熱電偶檢定規(guī)程中，對(duì)熱電偶的不均勻性尚未作出規(guī)定，只有在熱電偶絲材標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)熱電偶絲的不均勻性有一定要求。廉金屬熱電偶采用首尾檢定法求出不均勻熱電動(dòng)勢(shì)。正規(guī)熱電偶絲材生產(chǎn)廠(chǎng)均按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，生產(chǎn)出均勻性符合要求的產(chǎn)品。
②熱電偶絲經(jīng)使用后產(chǎn)生的不均質(zhì)
對(duì)于新制的熱電偶，即使是不均勻熱電動(dòng)勢(shì)能滿(mǎn)足要求，但是，經(jīng)過(guò)時(shí)效和污染等情況可能改變熱電偶的均勻性，反復(fù)加工、彎曲致使熱電偶產(chǎn)生加工畸變，也將使其失去均質(zhì)性，而且使用中熱電偶長(zhǎng)期處于高溫下也會(huì)因偶絲的劣化而引起熱電動(dòng)勢(shì)變化，當(dāng)偶絲劣化的部分處于具有溫度梯度的場(chǎng)所，也將產(chǎn)生寄生電動(dòng)勢(shì)疊加在總熱電動(dòng)勢(shì)中而出現(xiàn)測(cè)量誤差。鎧裝熱電偶在這方面有很好的優(yōu)勢(shì)，工作時(shí)偶絲的均勻性不易變化。
熱電偶劣化與使用壽命
1、熱電偶的劣化
熱電偶的使用壽命是大家非常關(guān)心的事，否則，心中無(wú)數(shù)將十分被動(dòng)。熱電偶的使用壽命與其劣化有關(guān)，所謂熱電偶的劣化，即熱電偶經(jīng)使用后，出現(xiàn)老化變質(zhì)的現(xiàn)象。由金屬或合金構(gòu)成的熱電偶，在高溫下其內(nèi)部晶粒要逐漸長(zhǎng)大。同時(shí)合金中含有少量雜質(zhì)，其位置或形狀也將發(fā)生變化，而且，對(duì)周?chē)h(huán)境中的還原或氧化性氣體也要發(fā)生反應(yīng)。伴隨上述變化，熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)也將極其敏感的發(fā)生變化。因此熱電偶的劣化現(xiàn)象是不可避免的。
2、熱電偶的使用壽命
熱電偶的劣化是一個(gè)量變過(guò)程，對(duì)其定量很困難，它將隨熱電偶的種類(lèi)、直徑、使用溫度、氣氛和時(shí)間的不同而變化。熱電偶的使用壽命是指熱電偶劣化發(fā)展到超過(guò)允許誤差。
①裝配式熱電偶的壽命
我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中僅對(duì)熱電偶的穩(wěn)定性有要求，即規(guī)定在某一溫度下經(jīng)200h使用前后熱電動(dòng)勢(shì)的變化范圍。但是，尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)使用壽命有規(guī)定，只有在計(jì)量部門(mén)判定不合格時(shí)才停止使用。轉(zhuǎn)包生產(chǎn)用的工作用廉金屬熱電偶一般只要求使用一次。在實(shí)際使用時(shí)，裝配式熱電偶通常有保護(hù)管，只有在特殊情況下才裸絲使用。因此，在多數(shù)場(chǎng)合下，保護(hù)管的壽命決定了熱電偶?jí)勖?。?duì)熱電偶的實(shí)際使用壽命的判斷，必須是通過(guò)長(zhǎng)期收集、積累實(shí)際使用狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，才有可能給出較準(zhǔn)確的結(jié)果。
②鎧裝熱電偶的壽命
由于鎧裝熱電偶有套管保護(hù)與外界環(huán)境隔絕，因此套管材質(zhì)對(duì)鎧裝熱電偶的壽命影響很大，必須根據(jù)用途選擇熱電偶絲及金屬套管。當(dāng)材質(zhì)選定后，其壽命又隨著鎧裝熱電偶直徑的增大而增加。鎧裝熱電偶同裝配式熱電偶相比，雖有許多優(yōu)點(diǎn)，但很容易發(fā)生劣化。
熱電偶是在科研、工業(yè)生產(chǎn)中最常用的溫度傳感器，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是，使用中不注意仍然會(huì)產(chǎn)生較大測(cè)量誤差。本文主要通過(guò)對(duì)使用中容易出現(xiàn)的問(wèn)題，詳細(xì)探討了測(cè)溫點(diǎn)的選擇、熱電偶的插入深度、響應(yīng)時(shí)間及熱輻射等產(chǎn)生誤差的主要原因，并指出熱電偶不均度、熱電偶使用中應(yīng)注意的問(wèn)題，對(duì)提高測(cè)量精度，延長(zhǎng)熱電偶使用壽命有一定幫助。
作者：沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 葛紀(jì)全、劉盼盼
