热电偶不均匀性分析及实验测试方法研究

(常德市计量测试检定所 湖南 常德 415000)

热电偶不均匀性分析及实验测试方法研究

王红兵

(常德市计量测试检定所 湖南 常德 415000)

针对热电偶不均匀性以及实验测试方法相关内容，做了简单的论述。在进行温度传感器性能检定时，进行热电偶不均匀性分析，能够精准反映设备的性能，对确保精准温控，有着积极的作用。在进行热电偶不均匀性分析时，需要结合实际情况，来选择同名极法与接触法等，做好检测质量的把控。

热电偶不均匀性；实验测试；温度传感器

温度计量设备主要用于测量物体冷热程度，在工业生产中温度的精准测控与食品、药品灭菌效果、保存安全、机械部件硬度、强度，测量煤发热量等，有着密切的关系。基于此，做好温度计量设备的性能检定，有着必要性。

一、温度测控设备性能检定现状

温度测控主要是利用传感器+二次仪表组成的测控系统。传感器运行原理是热电偶的热电效应、热电阻的热阻变化，其与测量物直接接触，能够感应测量物的冷热程度。二次仪表利用传感器送来的热电势，热电阻值进行显示并控制。传感器送来信号的准确度，直接决定着测控的精准度。基于此，需要定期做好温度检定设备的性能检测。从实际情况来看，普遍存在重视二次仪表的检定，忽视传感器(热电偶、热电阻)检定，难以确保精准温控，因此提出进行温度传感器的检测，以明确设备性能状态，保证精准温控。

二、热电偶不均匀性分析

(一)具体表现

此特性主要表现在热电势沿着热电极丝长度分布的不均匀，包括延伸不均匀性以及局部不均匀性。其中延伸不均匀性，主要指的是热电势沿着丝材长度方向的变化，是丝材制作环节产生的。局部不均匀性指的是热电势分布只局限于热电极的某段，极易造成热电性能突然变化，多是因为热电极中含有杂质。热电偶制作时，使用相同的生产炉，所生产的丝材相同，其不均匀性为延伸部均匀性。按照温度梯度长度进行均匀性区分，若热电极长度与温度梯度长度相同，则为局部不均匀性[1]。

(二)影响因素

热电偶不均匀性主要受到以下因素的影响：1)化学因素。热电极材料中存在杂质，并且杂质分布呈现不均匀性；热电极表面金属局部氧化或者会发，造成热电偶不均匀；温度过高时，工作端的热扩散情况，会改变附近的化学成分等。2)物理因素。若应力分布存在不均匀情况，会造成电热特性差异；热电极材料中晶粒大小和结构的不均匀性，会影响热电极特性。热电不均匀性主要来源，如表1所示。

表1 热电不均匀性主要来源

三、热电偶不均匀性实验测试方法

(一)常用的测试方法

在热电偶不均匀性实验测试工作中，多采取以下方法：1)同名极法。假定不均匀性出现在电偶丝的头部以及尾部，在实验前，将配对热电偶丝的头尾截去1m左右长度，采取焊接法，制作成为热电偶。按照规定的试验温度，采取同名极法，测量热电势，判断头尾热电势差值，看其是否能够达到要求。2)点加热法。利用小型单边炉，作为加热源。在进行测试时，为保证炉温处于恒定状态，将炉顺着热电极，作轴向运动。使用测试仪器，测量热电势变化情况，做好测量值记录，获得不均匀电势。3)接触法。此方法的应用，是连续记录热电势差值，判断是局部不均匀性或者延伸不均匀性。接触法多应用于贵金属测试，能够确保测量的结果。

(二)热电偶检定要点

在进行热电偶检定时，要做好以下要点的把控：1)检查热电偶的长度。因为热电偶离开测温区域后，要有温度梯度区。为确保热量传递效果，要保障热电偶冷端和热端保持足够的距离。基于此，在检定前，需要检查热电偶长度。2)观察偶丝表层。若存在较厚的污染层，则需要将热电偶测量端，给剪去相应的长度，直接焊接，再进行检定。3)观察偶丝的弯曲程度。在检定前，要将偶丝拉直，以确保检定的准确性[2]。

(三)累计检定分析

选择不同型号的温度传感器，进行实验测试。分别对ZQZ-TW1、WZP-1传感器，进行检定分析，按照行业规程，进行各温度类观测误差指标控制。依据温度特性、检定数据资料，通过分析2013-2016年温度传感器检定超差率和超差分布情况等，获得以下结论：1)超差多发于检定温度区域的端点，ZQZ-TW1超差主要发生在低温端点，WZP-1超差多发生在高温端点，在选择检定区间，要保证传感器使用范围；2)ZQZ-TW1与WZP-1温度传感器累计检定超差率在10%范围内，能够为温度传感器检定周期的选择，提供参考。

(四)热电偶温度计量误差控制策略

热电偶是感温元件，能够在-270℃-2800℃范围内，开展温度测量工作。在实际应用中，要做好计量误差的控制，可采取以下办法：1)热点偶测温。使用热电极较细，并且保护管直径相对较小的热电偶。在测温条件允许时，可以取去保护管。2)控制插入深度。合理选择热电偶安装位置，即合理选择测温点。同时还需要控制插入深度，避免产生误差。3)做好补偿导线连接工作。对于<750mm的热电偶，进行计量检定时，需要连接补偿导线。在连接时，会产生一定的误差，因此要确保补偿导线型号和分度号相互对应，坚决不可以用错。同时要控制补偿导线和热电偶连接点的温度，确保其相同[3]。

四、结束语

综上所述，热电偶不均匀性，会影响到热电偶测温的精准性。若热电极材料均匀，则回路热电势和两端温度有着直接关系，不受电极整段长度温度分布的影响。若不均匀，则回路中会出现热电势，影响总热电势，因此将热电偶不均匀性，作为热电偶质量检定的指标，采取相应的方法，进行检定分析。

[1]李海燕.热电偶不均匀性及实验测试方法的分析研究[J].科技创新导报,2012(24):84.

[2]刘梦宇,杨斌,张宇晟,王惠龄.稀磁铜铁合金低温热电偶的不均匀性实验研究[J].华中科技大学学报(自然科学版),2017(4505):94-97+103.

[3]王惠龄,黄良璧,刘梦宇.廉金属稀磁铜铁合金低温热电偶实验研究[J].工程热物理学报,2015(3609):2032-2035.

王红兵(1966-)，男，本科，工程师，主要从事计量检定等工作。