熱電偶不穩定性的幾個來源

聞杰等

摘要： 熱電偶是工業溫度測量常用的傳感器，它具有精度高、經濟和溫度寬的特點。然而在測量過程中熱電偶也會因為測量條件和環境限制而導致出現測量結果的不穩定性。例如：污染、氧化、還原、物理條件、脆裂、照射就是影響熱電偶測量結果不穩定性的主要來源。

關鍵詞： 熱電偶；環境限制；測量條件；不穩定性；主要來源

中圖分類號：TM91 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）05-0033-02

0 引言

熱電偶是工業溫度測量常用的傳感器，其優點是：①測量精度高；②測量范圍廣；③構造簡單；④使用方便。熱電偶是一種感溫元件，其工作原理是基于賽貝克效應，即兩種不同成分的導體回路，如兩連接端溫度不同，則在回路內產生熱電流的物理現象。

作為工業測溫中最廣泛使用的溫度傳感器之一，它與鉑熱電阻一起，約占整個溫度傳感器總量的60%，熱電偶通常和顯示儀表等配套使用，直接測量各種生產過程中40～1800℃范圍內的液體、蒸氣和氣體全日制以及固體的表面溫度。

熱電偶的不穩定性是指在一定的溫度下，熱電偶的熱電特性隨時間和使用條件的不同而發生變化的程度。如果不穩定性嚴重，熱電偶的熱電特性變化就大，測溫的準確性就差，反之穩定性好，熱電偶的熱電特性變化就小，測溫的準確性就高。因此，不穩定性反映了熱電偶測溫的準確程度。在平時的工作和學習中，筆者總結出如下熱電偶不穩定性來源。

1 污染

由環境或保護管帶來的雜質，在溫度梯度區使熱電偶的一極或二極污染，這也許就是不穩定的主要原因。雜質會被直接吸收，經證明：鉑銠合金對鐵的污染是很敏感的，鐵往往是陶瓷保護管套中的雜質。

由于直接接觸或金屬成分的分解和進一步的蒸發也會產生污染。熱電偶直接暴露在爐子蒸氣中似乎比保護管污染還更為有害，因此幾乎總是使用保護管。在組裝熱電偶時，如不特別注意也會造成污染，在焊接熱端和插入套管時很容易帶進表面雜質。用手接觸金屬絲會形成油膜，所以特別要禁忌。

2 揮發

在任何合金的熱電偶電極中總有一種元素首先在高溫下揮發。因此，熱電偶的熱電動勢可能發生很大變化。有時揮發會限制熱電偶的使用時間。

3 氧化

許多熱電偶由于一根或二根電極被氧化造成不穩定，有時甚至完全失效。對于銅-康銅、鐵-康銅、鎳鉻-鎳鋁等許多熱電偶氧化決定了它們的最高工作溫度。在某些應用中保護管充惰性氣體或還原性氣體可阻止氧化。但是在另一個方面，由于某些其他原因，這些氣氛會增加不穩定性。一種元素先氧化往往會改變熱電偶電極合金的含量，從而也改變分度值。由于氧化，熱電偶熱端的焊接要在惰性或還原性氣氛中進行。

4 還原

正如氧化限制了某些熱電偶一樣，還原也限制其他一些熱電偶的使用。大多數鉑銠熱電偶不應長時期在還原氣氛中使用，這是由于殘留氧化雜質的影響，長時間逐漸還原會損害金屬的狀態。

5 物理條件

劇烈的彎曲或其他任何類型的加工硬化在熱電偶絲中形成的內應力可能產生物理上的不均勻性，細心操作可以避免大部分由此引起的不均勻性。裝配好的熱電偶經過適當的退火也可在某種程度上減少這種不均勻性。

6 脆裂

脆裂是造成熱電偶損壞的最常見的原因。污染、氧化、高溫下長期暴露以致再結晶（鎢、銥）或一些其他反應都會使熱電偶脆裂。

7 照射

每當熱電偶用于測量核反應堆溫度或可能產生中子轟擊的其他環境，由于一種或多種元素蛻變產生的成分改變也會造成不穩定性。成分的改變取決于熱中子通量、照射時間等因素，一般可以計算。但是，它對于熱電偶分度值的影響是不能計算的。

在商品熱電偶中鎳鉻-鎳鋁和鐵-康銅熱電偶在中子轟擊下是穩定的。在這些合金中只有一種元素—銅會發生本質變化，所以銅-康銅熱電偶不穩定。雖然鉑是穩定的，但由于銠會轉化為鈀，所以鉑銠熱電偶也不穩定。

除蛻變外，中子照射可使偶絲或絕緣管變熱，也可能在絕緣套管中產生電離從而增加漏導。

參考文獻：

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