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關于熱電偶的測量誤差分析
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關于熱電偶的測量誤差分析

時間:2020-09-25 16:36:33

 【摘 要】 熱電偶是非常常見、非常簡單的一種溫度傳感器。對于關鍵的敏感電路和設備,提供精確、穩定的熱電偶測量至關重要。本文主要介紹熱電偶的原理、主要特點、分類和測量誤差分析,重點闡述減少、消除熱電偶測量誤差的具體方法,從而實現真實可靠的熱電偶測量系統。TvE壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

 
1 引言
由于具備測溫范圍廣、精度高、響應快、結構簡單、成本低等眾多優勢,熱電偶被廣泛應用于各行業中[1]。精確的熱電偶測量,尤其是關鍵的敏感電路和設備,對電子工程、機械工程等基礎科學研究和工業應用領域至關重要[2]。為了降低測量偏差,熱電偶在使用過程有很多注意事項,例如正確安裝點、正負極不能接反、需冷端補償、電磁干擾等環境因素干擾等。本文詳細闡述并分析熱電偶的測量誤差及其產生原因,探討并揭示減少、消除熱電偶測量誤差的策略和具體解決方法。 
 
2 熱電偶原理
塞貝克(Seebeck)效應,又稱第一熱電效應,它是指由于兩種不同電導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質間電壓差的熱電現象。熱電偶是根據塞貝克原理,將兩種不同金屬材料焊接在一起實現測溫的傳感器[2]。如圖 1 所示,一端焊接在一起(稱為熱端),熱端受熱后會產生一個小的熱電電壓。另一端(稱為冷端)連接到測量儀表或是采集模塊上,將熱電電壓的變化顯示為溫度變化[3,4]。
熱電偶原理圖
3 熱電偶主要特點
具有測量范圍大、測量精度高、結構簡單、響應時間快、成本低的優勢,熱電偶被廣泛應用于工業生產和科學研究中。熱電偶主要特點見表1。
熱電偶主要特點
4 熱電偶分類
熱電偶的分類方法很多,比如按分度號、連接點類型、外形結構、金屬類別等,從不同角度熱電偶都可以分類。 
 
4.1 分度號
根據國際上常用標準生產的熱電偶,分度號主要有J /K /T /E/N /R /S /B /G /C /D 等。各分度號正負極的具體合金材料見表2。
各分度號的金屬材質
極性的標準做法一般分為兩種,如圖2所示:(1)ANSI色標(美國國家標準學會):將負極標記為紅色;(2)IEC(國際電工委員會):將負極標記為白色。
色標
4.2 連接點類型
一般分為三種:外露型、非接地型和接地型,如圖3所示。
連接點類型
外露型:連接點伸出了護套材料,響應時間在三者中非?。
非接地型:連接點與護套材料電氣隔離,而護套材料也起到屏蔽的作用,抗電噪聲能力在三者中非常有優勢。
接地型:連接點直接焊接到護套材料上,響應時間介于外露型和非接地型之間,具體兩者的雙重優勢。 
 
4.3 外形結構
從外形結構上分類,主要有裸線熱電偶(即裸露金屬絲)、帶絕緣層線熱電偶、鎧裝熱電偶(金屬護套或陶瓷護套)、表面接觸
式熱電偶(直接粘貼、磁性吸附、膠貼等方式直接接觸測溫)[7]。 
 
4.4 金屬類別
從熱電偶的金屬護套材料上分類,一般分為基金屬熱電偶(也稱廉價金屬熱電偶,比如204不銹鋼)和貴金屬熱電偶(比如XMO鉬管)。
 
5 熱電偶測量誤差分析
本章節主要從兩個方面進行闡述:一是對熱電偶測量誤差來源進行分析,二是闡述了減少、消除熱電偶測量誤差的具體方法。
 
測量誤差是相對于真實值而言的,測量結果與被測真實值的差值即為測量誤差。
 
對于熱電偶測量誤差來源,可分為三大類:人的因素、環境的因素和本身屬性的因素。有些誤差可以消除、完全避免,比如選型不當、安裝不當等。而有些誤差不可能完全消除,只能盡可能地減弱、盡量避免,比如電磁干擾、對電噪聲感應敏感、需要冷端補償等。 
 
5.1 選型不當
常見為選錯分度號,各廠家不同分度號熱電偶都有各自精度規格。國內標準精度等級與其他國家是有差異的,選型環節不能僅局限于一級或是二級精度的表面理解,而是要了解具體的精度誤差值。實際行業應用是復雜變化多端的,比如航空航天、電力行業要求精密測量、從而進行精確控制,所以選型環節很關鍵,根據實際精度要求正確選型。
 
筆者在3年前碰到一個生產半導體的客戶,選購了公司的一種K型標準誤差限熱電偶,產品精度規格為2.2℃或 0.75%(0℃以上,兩者取大值)【客戶要求為常溫至100℃之間,非常大誤差為0.5℃】,客戶送檢地方計量院未通過[8]。這就是典型的選錯分度號案例,客戶可選購公司的T型特殊誤差限熱電偶滿足要求【精度規格為0.5℃ 或 0.4%(兩者取大值)】[2]。 
 
5.2 中間連接器、延長補償線不匹配
熱電偶是由兩種不同材料的金屬焊接一起實現測溫的,這是區別熱電阻和熱敏電阻的非常大區別,若需要延長線,不能用普通銅導線替代。熱電偶、中間連接器、延長補償線都要完全匹配,比如K型熱電偶,就要用K型中間連接器(公、母插頭)和K型延長補償線。
 
在使用延長補償線時,我們要注意:一是與熱電偶兩個連接點的溫度相同。二是延長線并非可以無限延長,非常大經驗阻抗值為100Ω,可以基于這個值和電阻與線徑的關系系數值計算出非常大允許熱電偶線長度。比如同條件下24AWG比20AWG線規(AWG:美國線規)線徑更細,橫截面積的阻值更大,可延長的長度更短。三是在限制的溫度范圍內使用等。
 
為了消除這個誤差:一方面在工程師選型時確認好,另一方面在現場施工時避免用錯,從而保證熱電偶、中間連接器、延長補償線完全一致。 
 
5.3 +、-極接反
在有中間連接器、延長線的應用中易出現+、-極性接反的現象,這是一種常見的客戶應用現場故障。
接法對比
下面列舉一個典型案例:一個做機械成套設備客戶使用了K型熱電偶、多芯K型熱電偶延長線和K型熱電偶面板,300℃以下非常大有 30℃ 偏差,300℃ 以上正!,F場單好驗證 K 型熱電偶,測量值和實際溫度值基本一致。經故障排除確認,是K型熱電偶面板背部的+、-極性接反了。如圖4所示:右邊為正確接法,左邊正負極接反,其中1表示中間連接器,2表示延長線。
 
因此,建議用同廠家配套的,同色標顏色一致的,如上述的ANSI色標:紅線是負極,以便接線,每個中間連接器都需要正對正、負對負。另一方面要求施工人員掌握一定的熱電偶基本知識,或是在專業工程師指導下完成施工。 5.4 正確安裝點安裝原則為:不管是何種外形結構的熱電偶,測溫點必須與待測點一致[9]。
 
在現場安裝熱電偶時,要選取正確的安裝位置。設計人員要提前出具安裝圖紙,安裝人員要按圖紙施工,另一方面有必要對安裝人員進行培訓,使其掌握一定熱電偶基礎知識。在應用現場,偶爾也碰到客戶將同一個熱電偶信號并聯輸出給兩個不同的測溫設備,雖然熱電偶也是輸出電壓信號,但它是非常微弱的mV信號,基本都在幾毫伏至幾十毫伏之間。這種誤區可能導致讀數錯誤或信號丟失。常用解決方案有:用雙熱電偶探頭(即探頭內部配置了2套熱電偶,對應輸出2路熱電偶信號),或是用信號放大器轉換為標準伏特V信號、電流4-20mA信號實現多路輸出。
 
如果熱電偶送檢時校準方法不當,也可能產生大的測量誤差,非常終導致校準未通過。
 
校準鎧裝熱電偶時,基于校準溫度點選擇對應校準設備:一 般300℃以下是用恒溫槽(液體硅油),探頭插入不同深度溫度都相同的,不過一般計量院對非常大和非常小插入深度也有要求的。300℃以上是用爐子的,常見有臥式爐和干體爐。探頭是要求插到底的,探頭尖端直接與內部加熱塊接觸,因為即使同一個爐子同一個腔體,不同位置點,溫度是不一樣的。實際上探頭插入深度與探桿直徑有一定比例關系的,所以送檢前需要確認被檢探頭長度。另外爐腔與探桿的間隙也是有要求的,如果探桿直徑較爐腔直徑太細,也會增大測量誤差[8,10]。 
 
5.5 響應時間
熱電偶響應時間又稱熱電偶時間常數,它是熱電偶的本身屬性,是影響熱電偶測量誤差的一個重要因素。熱電偶響應時間分析是需要在特定條件下進行的,同根熱電偶響應時間受大氣環境影響,比如大氣壓力、溫濕度不同,響應時間也不同。另外被測介質(固體、液體、氣體)不一樣,響應時間也不一致。如上文論述的外露型熱電偶,在要求極快響應時間的氣體溫度測量時被廣泛應用。實際應用中要選擇合適外形結構的熱電偶:鎧裝、表面、外露接點等,盡量減少響應時間因素導致的測量誤差[2,7]。 
 
5.6 焊接工藝
連接兩根熱電偶線,常用工具為專業點焊機,焊接工藝好壞也會直接影響熱電偶測量的準確性,比如焊點過大(按經驗:焊接外露型熱電偶時,焊點直徑一般為 2.5 倍偶絲直徑)、引入雜質,都會產生大的測量誤差。 
 
5.7 絕緣阻值
產品質量決定了熱電偶使用壽命。在非接地性鎧裝熱電偶應用中,在100℃以上誤差很大,后經絕緣測試驗證,發現熱電偶絕緣阻值不達標。鎧裝熱電偶的金屬護套內一般填充氧化鎂粉末,若水氣濕氣侵入,會被氧化鎂迅速吸收,熱電偶絕緣阻值就會下降。表3為應用故障排除的重要相關參考指標:
絕緣阻值
5.8 電磁干擾
電磁干擾無處不在,在復雜工業環境中泵、電機、電磁閥、風機等可能會產生嚴重的電磁干擾,甚至溫度儀表導線可能會起到天線作用,從而影響了熱電偶測量值的準確性。
 
為了消除或是減弱電磁干擾:一方面布線施工時熱電偶盡量院秒動力電纜,盡可能院秒干擾源。另一方面優化熱電偶測量系統,諸如使用屏蔽雙絞線;可靠接地;使用模擬信號放大器,如使用 4-20mA 信號(該信號具備長距離傳輸、更強抗噪聲能力);軟件計算補償;使用數字量信號等。 
 
6 結束語
綜上所述,要得到精確的熱電偶溫度測量,我們不僅要避免選型、安裝不當的人為因素,還要考慮電磁干擾的環境因素,更要注意冷端補償的本身屬性。筆者多年從事儀器儀表自動化行業,基于豐富的現場工作經驗,撰寫此文希望能給從業工程師們提供一些經驗。
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