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关于热电偶的测量误差分析
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关于热电偶的测量误差分析

时间:2020-09-25 16:36:33

 【摘 要】 热电偶是非常常见、非常简单的一种温度传感器。对于关键的敏感电路和设备,提供精确、稳定的热电偶测量至关重要。本文主要先容热电偶的原理、主要特点、分类和测量误差分析,重点阐述减少、消除热电偶测量误差的具体方法,从而实现真实可靠的热电偶测量系统。RjT压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

 
1 引言
由于具备测温范围广、精度高、响应快、结构简单、成本低等众多优势,热电偶被广泛应用于各行业中[1]。精确的热电偶测量,尤其是关键的敏感电路和设备,对电子工程、机械工程等基础科学研究和工业应用领域至关重要[2]。为了降低测量偏差,热电偶在使用过程有很多注意事项,例如正确安装点、正负极不能接反、需冷端补偿、电磁干扰等环境因素干扰等。本文详细阐述并分析热电偶的测量误差及其产生原因,探讨并揭示减少、消除热电偶测量误差的策略和具体解决方法。 
 
2 热电偶原理
塞贝克(Seebeck)效应,又称第一热电效应,它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间电压差的热电现象。热电偶是根据塞贝克原理,将两种不同金属材料焊接在一起实现测温的传感器[2]。如图 1 所示,一端焊接在一起(称为热端),热端受热后会产生一个小的热电电压。另一端(称为冷端)连接到测量仪表或是采集模块上,将热电电压的变化显示为温度变化[3,4]。
热电偶原理图
3 热电偶主要特点
具有测量范围大、测量精度高、结构简单、响应时间快、成本低的优势,热电偶被广泛应用于工业生产和科学研究中。热电偶主要特点见表1。
热电偶主要特点
4 热电偶分类
热电偶的分类方法很多,比如按分度号、连接点类型、外形结构、金属类别等,从不同角度热电偶都可以分类。 
 
4.1 分度号
根据国际上常用标准生产的热电偶,分度号主要有J /K /T /E/N /R /S /B /G /C /D 等。各分度号正负极的具体合金材料见表2。
各分度号的金属材质
极性的标准做法一般分为两种,如图2所示:(1)ANSI色标(美国国家标准学会):将负极标记为红色;(2)IEC(国际电工委员会):将负极标记为白色。
色标
4.2 连接点类型
一般分为三种:外露型、非接地型和接地型,如图3所示。
连接点类型
外露型:连接点伸出了护套材料,响应时间在三者中非常快。
非接地型:连接点与护套材料电气隔离,而护套材料也起到屏蔽的作用,抗电噪声能力在三者中非常有优势。
接地型:连接点直接焊接到护套材料上,响应时间介于外露型和非接地型之间,具体两者的双重优势。 
 
4.3 外形结构
从外形结构上分类,主要有裸线热电偶(即裸露金属丝)、带绝缘层线热电偶、铠装热电偶(金属护套或陶瓷护套)、表面接触
式热电偶(直接粘贴、磁性吸附、胶贴等方式直接接触测温)[7]。 
 
4.4 金属类别
从热电偶的金属护套材料上分类,一般分为基金属热电偶(也称低价金属热电偶,比如204不锈钢)和贵金属热电偶(比如XMO鉬管)。
 
5 热电偶测量误差分析
本章节主要从两个方面进行阐述:一是对热电偶测量误差来源进行分析,二是阐述了减少、消除热电偶测量误差的具体方法。
 
测量误差是相对于真实值而言的,测量结果与被测真实值的差值即为测量误差。
 
对于热电偶测量误差来源,可分为三大类:人的因素、环境的因素和本身属性的因素。有些误差可以消除、完全避免,比如选型不当、安装不当等。而有些误差不可能完全消除,只能尽可能地减弱、尽量避免,比如电磁干扰、对电噪声感应敏感、需要冷端补偿等。 
 
5.1 选型不当
常见为选错分度号,各厂家不同分度号热电偶都有各自精度规格。国内标准精度等级与其他国家是有差异的,选型环节不能仅局限于一级或是二级精度的表面理解,而是要了解具体的精度误差值。实际行业应用是复杂变化多端的,比如航空航天、电力行业要求精密测量、从而进行精确控制,所以选型环节很关键,根据实际精度要求正确选型。
 
笔者在3年前碰到一个生产半导体的客户,选购了企业的一种K型标准误差限热电偶,产品精度规格为2.2℃或 0.75%(0℃以上,两者取大值)【客户要求为常温至100℃之间,非常大误差为0.5℃】,客户送检地方计量院未通过[8]。这就是典型的选错分度号案例,客户可选购企业的T型特殊误差限热电偶满足要求【精度规格为0.5℃ 或 0.4%(两者取大值)】[2]。 
 
5.2 中间连接器、延长补偿线不匹配
热电偶是由两种不同材料的金属焊接一起实现测温的,这是区别热电阻和热敏电阻的非常大区别,若需要延长线,不能用普通铜导线替代。热电偶、中间连接器、延长补偿线都要完全匹配,比如K型热电偶,就要用K型中间连接器(公、母插头)和K型延长补偿线。
 
在使用延长补偿线时,大家要注意:一是与热电偶两个连接点的温度相同。二是延长线并非可以无限延长,非常大经验阻抗值为100Ω,可以基于这个值和电阻与线径的关系系数值计算出非常大允许热电偶线长度。比如同条件下24AWG比20AWG线规(AWG:美国线规)线径更细,横截面积的阻值更大,可延长的长度更短。三是在限制的温度范围内使用等。
 
为了消除这个误差:一方面在工程师选型时确认好,另一方面在现场施工时避免用错,从而保证热电偶、中间连接器、延长补偿线完全一致。 
 
5.3 +、-极接反
在有中间连接器、延长线的应用中易出现+、-极性接反的现象,这是一种常见的客户应用现场故障。
接法对比
下面列举一个典型案例:一个做机械成套设备客户使用了K型热电偶、多芯K型热电偶延长线和K型热电偶面板,300℃以下非常大有 30℃ 偏差,300℃ 以上正常。现场单好验证 K 型热电偶,测量值和实际温度值基本一致。经故障排除确认,是K型热电偶面板背部的+、-极性接反了。如图4所示:右边为正确接法,左边正负极接反,其中1表示中间连接器,2表示延长线。
 
因此,建议用同厂家配套的,同色标颜色一致的,如上述的ANSI色标:红线是负极,以便接线,每个中间连接器都需要正对正、负对负。另一方面要求施工人员掌握一定的热电偶基本常识,或是在专业工程师引导下完成施工。 5.4 正确安装点安装原则为:不管是何种外形结构的热电偶,测温点必须与待测点一致[9]。
 
在现场安装热电偶时,要选取正确的安装位置。设计人员要提前出具安装图纸,安装人员要按图纸施工,另一方面有必要对安装人员进行培训,使其掌握一定热电偶基础常识。在应用现场,偶尔也碰到客户将同一个热电偶信号并联输出给两个不同的测温设备,虽然热电偶也是输出电压信号,但它是非常微弱的mV信号,基本都在几毫伏至几十毫伏之间。这种误区可能导致读数错误或信号丢失。常用解决方案有:用双热电偶探头(即探头内部配置了2套热电偶,对应输出2路热电偶信号),或是用信号放大器转换为标准伏特V信号、电流4-20mA信号实现多路输出。
 
如果热电偶送检时校准方法不当,也可能产生大的测量误差,非常终导致校准未通过。
 
校准铠装热电偶时,基于校准温度点选择对应校准设备:一 般300℃以下是用恒温槽(液体硅油),探头插入不同深度温度都相同的,不过一般计量院对非常大和非常小插入深度也有要求的。300℃以上是用炉子的,常见有卧式炉和干体炉。探头是要求插到底的,探头尖端直接与内部加热块接触,因为即使同一个炉子同一个腔体,不同位置点,温度是不一样的。实际上探头插入深度与探杆直径有一定比例关系的,所以送检前需要确认被检探头长度。另外炉腔与探杆的间隙也是有要求的,如果探杆直径较炉腔直径太细,也会增大测量误差[8,10]。 
 
5.5 响应时间
热电偶响应时间又称热电偶时间常数,它是热电偶的本身属性,是影响热电偶测量误差的一个重要因素。热电偶响应时间分析是需要在特定条件下进行的,同根热电偶响应时间受大气环境影响,比如大气压力、温湿度不同,响应时间也不同。另外被测介质(固体、液体、气体)不一样,响应时间也不一致。如上文论述的外露型热电偶,在要求极快响应时间的气体温度测量时被广泛应用。实际应用中要选择合适外形结构的热电偶:铠装、表面、外露接点等,尽量减少响应时间因素导致的测量误差[2,7]。 
 
5.6 焊接工艺
连接两根热电偶线,常用工具为专业点焊机,焊接工艺好坏也会直接影响热电偶测量的准确性,比如焊点过大(按经验:焊接外露型热电偶时,焊点直径一般为 2.5 倍偶丝直径)、引入杂质,都会产生大的测量误差。 
 
5.7 绝缘阻值
产品质量决定了热电偶使用寿命。在非接地性铠装热电偶应用中,在100℃以上误差很大,后经绝缘测试验证,发现热电偶绝缘阻值不达标。铠装热电偶的金属护套内一般填充氧化镁粉末,若水气湿气侵入,会被氧化镁迅速吸取,热电偶绝缘阻值就会下降。表3为应用故障排除的重要相关参考指标:
绝缘阻值
5.8 电磁干扰
电磁干扰无处不在,在复杂工业环境中泵、电机、电磁阀、风机等可能会产生严重的电磁干扰,甚至温度仪表导线可能会起到天线作用,从而影响了热电偶测量值的准确性。
 
为了消除或是减弱电磁干扰:一方面布线施工时热电偶尽量院秒动力电缆,尽可能院秒干扰源。另一方面优化热电偶测量系统,诸如使用屏蔽双绞线;可靠接地;使用模拟信号放大器,如使用 4-20mA 信号(该信号具备长距离传输、更强抗噪声能力);App计算补偿;使用数字量信号等。 
 
6 结束语
综上所述,要得到精确的热电偶温度测量,大家不仅要避免选型、安装不当的人为因素,还要考虑电磁干扰的环境因素,更要注意冷端补偿的本身属性。笔者多年从事仪器仪表自动化行业,基于丰富的现场工作经验,撰写此文希翼能给从业工程师们提供一些经验。
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