影响热电偶测量误差的主要因素

2018年6月8日 14:49:00

影响热电偶测量误差的主要因素:热电偶插入深度﹑响应时间﹑热辐射及热阻抗等。


1、响应时间的影响
接触法测温的基本原理是测温元件要与被测对象达到热平衡。因此,在测温时需要保持一定时间,才能使两者达到热平衡。而保持时间的长短,同测温元件的热响应时间有关。而热响应时间主要取决于传感器的结构及测量条件,差别极大。对于气体介质,尤其是静止气体,至少应保持30min以上才能达到平衡;
对于液体而言,最快也要在5min以上。 对于温度不断变化的被测场所,尤其是瞬间变化过程,全过程仅1秒钟,则要求传感器的响应时间在毫秒级。因此,普通的温度传感器不仅跟不上被测对象的温度变化速度出现滞后,而且也会因达不到热平衡而产生测量误差。最好选择响应快的传感器。对热电偶而言除保护管影响外,热电偶的测量端直径也是其主要因素,即偶丝越细,测量端直径越小,其热响应时间越短。测温元件热响应误差可通过下式确定。
Δθ=Δθ0exp(-t/τ)
式中t—测量时间S,
Δθ—在t时刻,测温元件引起的误差,K或℃
Δθ0—“t=0”时刻,测温元件引起的误差,K或℃
τ—时间常数S
e—自然对数的底(2.718)
因此,当t=τ时,则Δθ=Δθ0/e即为0.368,
如果当t=2τ时,则Δθ=Δθ0/e2即为0.135。
当被测对象的温度,以一定的速度α(k/s或℃/s)上升或下降时,经过足够的时间后,所产生的响应误差可用下式表示:
Δθ∞=-ατ
式中Δθ∞—经过足够时间后,测温元件引起的误差。
由上可看出,响应误差与时间常数(τ)成正比。为了提高检定效率许多企业采用自动检定装置,对入厂热电偶进行检定,但是,该装置也并非十分完善。二汽变速箱厂热处理车间就发现如果在400℃点的恒温时间不够,达不到热平衡,就容易发生误判。


2、插入深度的影响
a测温点的选择
b插入深度
热电偶插入被测场所时,沿着传感器的长度方向将产生热流。当环境温度低时就会有热损失。致使热电偶与被测对象的温度不一致而产生测温误差。总之,由热传导而引起的误差,与插入深度有关。
而插入深度又与保护管材质有关。金属保护管因其导热性能好,其插入深度应该深一些(约为直径的15—20倍),陶瓷材料绝热性能好,可插入浅一些(约为直径的10-15倍)。对于工程测温,其插入深度还与测量对象是静止或流动等状态有关,如流动的液体或高速气流温度的测量,将不受上述限制,插入深度可以浅一些,具体数值应由实验确定。


3、热辐射的影响
插入炉内用于测温的热电偶,将被高温物体发出的热辐射加热。假定炉内气体是透明的,而且,热电偶与炉壁的温差较大时,将因能量交换而产生测温误差。
在单位时间内,两者交换的辐射能为P,可用下式表示:
P=σε(Tw4-Tt4)(2—3)
式中σ—斯忒藩—波尔兹常数
ε—发射率
Tt—热电偶的温度,K
Tw—炉壁的温度,K
在单位时间内,热电偶同周围的气体(温度为T),通过对流及热传导也将发生热量交换的能量为P′
P′=αA(T-Tt)(2—4)
式中α—热导率
A—热电偶的表面积
在正常状态下,P=P′,其误差为:
Tt-T=σε(Tt4-Tw4)/αА(2—5)
对于单位面积而言其误差为
Tt-T=σε(Tt4-Tw4)/α(2—6)
因此,为了减少热辐射误差,应增大热传导,并使炉壁温度Tw,尽可能接近热电偶的温度Tt。