高温热电偶的测量误差及处理方案

摘要:详细分析热电偶使用后中间导体的形成机理，并根据实测数据分析高温热电偶测量误差的产生原因。根据热电偶中间导体定律可知，热电偶局部变质部分只要存在温差，就会产生测量误差。采用对调焊接等处理方式，不仅可消除热电偶长期使用带来的示值误差、减少热电偶的消耗，而且可提高产品质量。
1影响热电偶高温测量精度的因素
1.1高温测量中常用的热电偶
　　在1250℃以下的场合，采用N型热电偶测温，其高温稳定性及使用寿命较K型热电偶成倍提高，通常与铂铑热电偶相当。因此，N型热电偶的应用范围在逐步扩大[1]。钨铼3-钨铼25热电偶高温测量时可测的温度最高，但在氧化气体中测量，钨铼3-钨铼25极易氧化，因此必须采取抗氧化措施。可将偶丝密封在保护套管中，并填以致密的填充料，填充料中有遇高温产生还原性气氛的粉体，外保护管是钼基硅化钼管。抗氧化的钨铼3-钨铼25热电偶抗腐蚀，使用寿命与同等气氛(环境)下的铂铑热电偶相当。
1.2影响热电偶高温测量精度的因素
　　影响热电偶高温测量精度的主要因素是辐射传热。热电偶的辐射热损失为
 
式中S一热电偶的表面积
X一热辐射率
e一斯特藩-玻尔兹曼常数
T一热电偶测得的温度
Tw一热电偶所置的腔壁温度
另一方面，热电偶通过对流传热获得的热量为
 
Tg一被测气体的真实温度
h一对流传热系数
　　如果不考虑导热，热电偶达到热稳定以后，有dq辐=dq换
 
　　由式(3)可知，对流传热系数、热辐射率、热电偶所置的腔壁温度是影响热电偶高温测量的精度的因素。热电厂的锅炉的全大屏、后屏入口、出口等位置的高温(900~1200℃)测量使用带有二层屏蔽罩的铂铑10-铂热电偶，抽气热电偶用于锅炉燃烧研究。热电偶的保护套管直径、安装位置与对流传热系数h有直接关系。
2热电偶使用后中间导体的形成
　　热电偶的中间导体定律是众所周知的常识。但对热电偶在使用中形成中间导体后的误差情况，以及如何正确进行测温是仪表人员校对炉温时至关重要的问题。由于这一问题的存在，无疑会降低测温的质量，甚至达到影响测量正确的程度。在热电偶回路中，接入了和该热电偶不同热电特性的导体后，只要该导体各部分的温度不等，就会产生寄生电势，从而造成测量误差。
　　t为工作端温度，t0为冷端温度，t0'-t0’'代表插入炉膛的部分温度，该处温度比工作端低，并且to'>t0',因为热电势EAB(t,t0)=EAB(t，t0')+EAB(t0'，t0')+EAB(t0''，t0),所以，如果热电偶各部分材质都--致，则从上式可以看出，不论t0'和t0'的温度如何，其测量结果仍然符合热电势和温度之间的函数关系，即EAB(t,t)0=(ft)-(ft0)。但若t0'和t0''之间的一.段电极变质之后，导致了热电特性的改变，于是，当t0'不等于t0”时，其测量结果就不再符合上式，而是随着该两点间的温度之差而变化。热电偶在使用过程中会氧化腐蚀，特别是铑元素的选择性氧化导致的粗晶和还原性气体对铂的污染，都会使热电偶的热电特性明显的变坏。
3实测数据
　　带有中间导体的热电偶继续用来测温时，其中间导体两端的温度肯定是不同的，否则就会产生测量误差。由于使用现场炉子大小和形状不同，故热电偶的插入深度也并不一致。于是热电偶的变质情况和变质部分的长度就各不相同。对于高温炉测试用的铂铑-铂热电偶，在插入深度较浅的炉子上使用时会产生误差，把使用时间不等的同种热电偶和新偶，用两种不同插入深度对比测试的结果，温度也相差10℃以上。现将测试结果列表如下，具体见表1(测试用直流电位差计UJ33a，采用双极法直接对比，将使用时间不等的偶和新偶分别捆扎后入炉)。
　　多数热电偶都为负差值,插入150mm时测试的负值更大。仅有同等型号的新偶在测试1230℃时，插入深度300mm为+1℃,特别是旧偶在插入150mm深度测试时与新偶竞相差6℃.为了进一步验证在不同加热深度时的误差问题，又将使用较长时间的偶和另外两只偶插入同一深度，同--炉温分别进行测试，结果同样符合上述规律。
　　产生上述情况的主要原因，一是测试偶与新偶由于位置不当，所受介质污染程度不同:二是插入介质在不同深度时，由于炉温不能保持绝对均匀恒定(受热电极所致)造成的。由此可以说明:使用时间较长的热电偶对测温将产生更大的误差。
4解决办法
　　使用双铂铑热电偶测温(分度号:B)目的是为了达到测试温度更加正确。以往使用单铂铑(分度号:S)热电偶测温要考虑冷端补偿问题。需加修正值，使用分度号B的热电偶测温后,温度即使在零上50℃时,其亳伏值仅0.002mV。所以用双铂铑热电偶测温，就无需考忠冷端室温的补偿问题。由于热电偶入炉产生的差值不同，特设置了专用的测温支架和同一规格的热电偶不锈钢保护套。插入深度固定在300mm处。测试高温前，要实行等级预热，使热电偶便于获得更均匀一致的受热，实行定期更换热电偶不锈钢保护套。以保证热电偶材质均匀性尽可能长时间不变。
　　对使用一段时间后的铂铑热电偶，往往其极点容易断开。极点断开后，将偶丝头尾对调焊接，经过硼砂清洗和煮沸后，实行定时间的回火处理。如果不对调偶丝，有的偶丝极点部分由于污染变脆，剪掉少量部分，再重新盐水焊接也是可以的。通过上述处理后，再和标准偶对比，测出误差，找出修正值方可准予应用。
5结束语
　　近年来，实践中使用的高温偶一直采用这些处理方式，不仅消除了由于热电偶长期使用带来的示值误差，而且从很大程度上减少了热电偶的消耗，提高产品质量的同时，也取得了很好的经济效益。