熱電偶不均勻性分析及實驗測試方法研究

(常德市計量測試檢定所 湖南 常德 415000)

熱電偶不均勻性分析及實驗測試方法研究

王紅兵

(常德市計量測試檢定所 湖南 常德 415000)

針對熱電偶不均勻性以及實驗測試方法相關內容，做了簡單的論述。在進行溫度傳感器性能檢定時，進行熱電偶不均勻性分析，能夠精準反映設備的性能，對確保精準溫控，有著積極的作用。在進行熱電偶不均勻性分析時，需要結合實際情況，來選擇同名極法與接觸法等，做好檢測質量的把控。

熱電偶不均勻性；實驗測試；溫度傳感器

溫度計量設備主要用于測量物體冷熱程度，在工業生產中溫度的精準測控與食品、藥品滅菌效果、保存安全、機械部件硬度、強度，測量煤發熱量等，有著密切的關系。基于此，做好溫度計量設備的性能檢定，有著必要性。

一、溫度測控設備性能檢定現狀

溫度測控主要是利用傳感器+二次儀表組成的測控系統。傳感器運行原理是熱電偶的熱電效應、熱電阻的熱阻變化，其與測量物直接接觸，能夠感應測量物的冷熱程度。二次儀表利用傳感器送來的熱電勢，熱電阻值進行顯示并控制。傳感器送來信號的準確度，直接決定著測控的精準度。基于此，需要定期做好溫度檢定設備的性能檢測。從實際情況來看，普遍存在重視二次儀表的檢定，忽視傳感器(熱電偶、熱電阻)檢定，難以確保精準溫控，因此提出進行溫度傳感器的檢測，以明確設備性能狀態，保證精準溫控。

二、熱電偶不均勻性分析

(一)具體表現

此特性主要表現在熱電勢沿著熱電極絲長度分布的不均勻，包括延伸不均勻性以及局部不均勻性。其中延伸不均勻性，主要指的是熱電勢沿著絲材長度方向的變化，是絲材制作環節產生的。局部不均勻性指的是熱電勢分布只局限于熱電極的某段，極易造成熱電性能突然變化，多是因為熱電極中含有雜質。熱電偶制作時，使用相同的生產爐，所生產的絲材相同，其不均勻性為延伸部均勻性。按照溫度梯度長度進行均勻性區分，若熱電極長度與溫度梯度長度相同，則為局部不均勻性[1]。

(二)影響因素

熱電偶不均勻性主要受到以下因素的影響：1)化學因素。熱電極材料中存在雜質，并且雜質分布呈現不均勻性；熱電極表面金屬局部氧化或者會發，造成熱電偶不均勻；溫度過高時，工作端的熱擴散情況，會改變附近的化學成分等。2)物理因素。若應力分布存在不均勻情況，會造成電熱特性差異；熱電極材料中晶粒大小和結構的不均勻性，會影響熱電極特性。熱電不均勻性主要來源，如表1所示。

表1 熱電不均勻性主要來源

三、熱電偶不均勻性實驗測試方法

(一)常用的測試方法

在熱電偶不均勻性實驗測試工作中，多采取以下方法：1)同名極法。假定不均勻性出現在電偶絲的頭部以及尾部，在實驗前，將配對熱電偶絲的頭尾截去1m左右長度，采取焊接法，制作成為熱電偶。按照規定的試驗溫度，采取同名極法，測量熱電勢，判斷頭尾熱電勢差值，看其是否能夠達到要求。2)點加熱法。利用小型單邊爐，作為加熱源。在進行測試時，為保證爐溫處于恒定狀態，將爐順著熱電極，作軸向運動。使用測試儀器，測量熱電勢變化情況，做好測量值記錄，獲得不均勻電勢。3)接觸法。此方法的應用，是連續記錄熱電勢差值，判斷是局部不均勻性或者延伸不均勻性。接觸法多應用于貴金屬測試，能夠確保測量的結果。

(二)熱電偶檢定要點

在進行熱電偶檢定時，要做好以下要點的把控：1)檢查熱電偶的長度。因為熱電偶離開測溫區域后，要有溫度梯度區。為確保熱量傳遞效果，要保障熱電偶冷端和熱端保持足夠的距離。基于此，在檢定前，需要檢查熱電偶長度。2)觀察偶絲表層。若存在較厚的污染層，則需要將熱電偶測量端，給剪去相應的長度，直接焊接，再進行檢定。3)觀察偶絲的彎曲程度。在檢定前，要將偶絲拉直，以確保檢定的準確性[2]。

(三)累計檢定分析

選擇不同型號的溫度傳感器，進行實驗測試。分別對ZQZ-TW1、WZP-1傳感器，進行檢定分析，按照行業規程，進行各溫度類觀測誤差指標控制。依據溫度特性、檢定數據資料，通過分析2013-2016年溫度傳感器檢定超差率和超差分布情況等，獲得以下結論：1)超差多發于檢定溫度區域的端點，ZQZ-TW1超差主要發生在低溫端點，WZP-1超差多發生在高溫端點，在選擇檢定區間，要保證傳感器使用范圍；2)ZQZ-TW1與WZP-1溫度傳感器累計檢定超差率在10%范圍內，能夠為溫度傳感器檢定周期的選擇，提供參考。

(四)熱電偶溫度計量誤差控制策略

熱電偶是感溫元件，能夠在-270℃-2800℃范圍內，開展溫度測量工作。在實際應用中，要做好計量誤差的控制，可采取以下辦法：1)熱點偶測溫。使用熱電極較細，并且保護管直徑相對較小的熱電偶。在測溫條件允許時，可以取去保護管。2)控制插入深度。合理選擇熱電偶安裝位置，即合理選擇測溫點。同時還需要控制插入深度，避免產生誤差。3)做好補償導線連接工作。對于<750mm的熱電偶，進行計量檢定時，需要連接補償導線。在連接時，會產生一定的誤差，因此要確保補償導線型號和分度號相互對應，堅決不可以用錯。同時要控制補償導線和熱電偶連接點的溫度，確保其相同[3]。

四、結束語

綜上所述，熱電偶不均勻性，會影響到熱電偶測溫的精準性。若熱電極材料均勻，則回路熱電勢和兩端溫度有著直接關系，不受電極整段長度溫度分布的影響。若不均勻，則回路中會出現熱電勢，影響總熱電勢，因此將熱電偶不均勻性，作為熱電偶質量檢定的指標，采取相應的方法，進行檢定分析。

[1]李海燕.熱電偶不均勻性及實驗測試方法的分析研究[J].科技創新導報,2012(24):84.

[2]劉夢宇,楊斌,張宇晟,王惠齡.稀磁銅鐵合金低溫熱電偶的不均勻性實驗研究[J].華中科技大學學報(自然科學版),2017(4505):94-97+103.

[3]王惠齡,黃良璧,劉夢宇.廉金屬稀磁銅鐵合金低溫熱電偶實驗研究[J].工程熱物理學報,2015(3609):2032-2035.

王紅兵(1966-)，男，本科，工程師，主要從事計量檢定等工作。