Messfehler und Vorsichtsmaßnahmen bei Thermoelementen

Zusammenfassung: Thermoelemente gehören zu den einfachsten und gebräuchlichsten Temperatursensoren. Wird es jedoch bei der Anwendung nicht ernst genommen, kann es zu größeren Messfehlern kommen. In Anbetracht der bestehenden Probleme gehören zu den Hauptfaktoren, die sich auf Messfehler auswirken, die Eintauchtiefe des Thermoelements, die Reaktionszeit, die Wärmestrahlung und die Wärmeimpedanz sowie ungleichmäßige Thermoelementdrähte, Strömungsfehler in gepanzerten Thermoelementen, selektive Oxidation von K-Typ-Thermoelementen und der K-Zustand , Betriebsatmosphäre, Isolationswiderstand und Verschlechterung von Thermoelementen. Bei der Verwendung sind Vorsichtsmaßnahmen zu treffen. Um die Messgenauigkeit zu verbessern und die Lebensdauer von Thermoelementen zu verlängern, ist es in gewissem Maße hilfreich.
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In bestehenden Temperaturmesssystemen wird der am häufigsten verwendete Temperatursensor – das Thermoelement – ​​aufgrund seiner einfachen Struktur oft mit „Thermoelement mit zwei an einen Schrank angeschlossenen Drähten“ verwechselt, was in Wirklichkeit jedoch nicht der Fall ist. Obwohl der Aufbau von Thermoelementen einfach ist, können bei der Verwendung dennoch verschiedene Probleme auftreten. Beispielsweise kann eine falsche Installation oder Verwendung zu größeren Messfehlern führen, und selbst eine qualifizierte Thermoelementprüfung kann auf unsachgemäßen Betrieb und Fehler zurückzuführen sein, beispielsweise auf Aufkohlung in einer reduzierenden Atmosphäre. Wenn man sie nicht ernst nimmt, kann es auch bei K-Typ-Thermoelementen aufgrund selektiver Oxidation zu Toleranzüberschreitungen kommen.
Um die Messgenauigkeit zu verbessern, Messfehler zu reduzieren und die Lebensdauer von Thermoelementen zu verlängern, müssen Benutzer nicht nur über Kenntnisse in der Gerätebedienung, sondern auch über Kenntnisse in Physik, Chemie und Materialien verfügen. Basierend auf jahrelanger Praxis und detaillierterer Bezugnahme auf relevante Informationen werden die Messfehler von Thermoelementen und ihre vorbeugenden Maßnahmen erläutert.
2. Heterogenitätseffekt von Thermoelementdrähten
(1) Das Thermoelementmaterial selbst ist uneben
Thermoelemente werden im Messraum geprüft, die Eintauchtiefe in den Prüfofen beträgt laut Regelwerk nur 300 mm. Daher können die Testergebnisse jedes Thermoelements nur das Verhalten ab der Messung des 300 mm langen Thermoelementdrahts widerspiegeln bzw. widerspiegeln. Wenn jedoch die Länge des Thermoelements groß ist, befinden sich die meisten Doppeldrähte im Hochtemperaturbereich. Wenn der Thermoelementdraht gemäß der Uniform-Loop-Regel einheitlich ist, sind die Messergebnisse unabhängig von der Länge. Allerdings können unebene Thermoelementdrähte, insbesondere minderwertige Thermoelementdrähte aus Metall, bei Temperaturgradienten lokale thermoelektrische Kräfte erzeugen, die als parasitäre elektromotorische Kräfte bezeichnet werden. Der durch parasitäre Potenziale verursachte Fehler wird als Heterogenitätsfehler bezeichnet.
In den bestehenden Validierungsprogrammen für Edelmetalle und niedriglegierte Thermoelemente wurde die Heterogenität von Thermoelementen noch nicht berücksichtigt, und nur in den Normen für Thermoelementdrähte gelten für Thermoelementdrähte einige uneinheitliche Anforderungen. Berechnen Sie die thermische elektromotorische Kraft mithilfe der Head-to-Tail-Testmethode. Herkömmliche Produktionsanlagen für Thermoelementdrähte erzeugen eine ungleichmäßige thermoelektrische elektromotorische Kraft gemäß den nationalen Standards, um die Produktanforderungen zu erfüllen.
(2) Thermoelementdrähte bestehen aus unterschiedlichen Materialien
Selbst wenn bei den Thermoelementen des neuen Systems die ungleichmäßige thermische EMF die Anforderungen erfüllen kann, kann eine wiederholte Verarbeitung zu einer Verformung der verarbeiteten gebogenen Thermoelemente führen, wodurch die Gleichmäßigkeit verloren geht. Darüber hinaus kommt es bei der langfristigen Verwendung gerader Drähte bei hohen Temperaturen, wie z. B. Thermoelementen, die in Industrieöfen eingesetzt werden, zu einer Verschlechterung oder sogar zu einer Verdrahtung entlang der Richtung des langen Drahts. Mit steigender Temperatur nimmt der Abbau zu. Wenn sich die Komponente an einem Ort befindet, an dem der Temperaturgradient abnimmt, kann sie aufgrund parasitärer Messfehler auch eine elektromotorische Kraft erzeugen, die der gesamten thermischen EMF überlagert ist.

3. Shunt-Fehler von gepanzerten Thermoelementen
(1) Umleitungsfehler
Der mit gepanzerten Thermoelementen ausgestattete Aufkohlungsofen der Huaju Group ist nur für eine Woche zugelassen. Um die Gründe zu erforschen, ging der Autor zur Inspektion vor Ort und stellte keine Auffälligkeiten fest. Daher musste er die Testergebnisse aus dem Messraum entnehmen und sie für qualifiziert halten. Also, was ist das Problem? Basierend auf den Eigenschaften der installierten Thermoelemente vor Ort wurde schließlich festgestellt, dass das Problem durch eine fehlerhafte Umleitung der gepanzerten Thermoelemente verursacht wurde.
Der sogenannte Shunt-Fehler wird mit Panzerthermoelementen gemessen. Wenn die Temperatur im mittleren Teil des Thermoelements aufgrund der Abnahme des Isolationswiderstands 800 °C überschreitet, zeigt das Thermoelement ein abnormales Phänomen an, das als Shunt-Fehler bezeichnet wird. Nach dem Prinzip des Gleichstromkreises bezieht sich die Temperaturmessung mit einem Thermoelement nur auf die Temperatur an beiden Enden des Mess- und Referenzendes und ist unabhängig von der Temperaturverteilung in der Mitte. Da die Isolierung von gepanzerten Thermoelementen jedoch aus MgO-Pulver besteht, steigt die Temperatur um 100 °C und der Isolationswiderstand nimmt um eine Größenordnung ab. Wenn der Mittelteil eine hohe Temperatur aufweist, muss ein Leckstrom vorhanden sein, der zu einem Verzweigungsfehler im Ausgangspotential des Thermoelements führt.
(2) Umleitungsfehlerbedingungen
In den Ofen eingesetztes gepanzertes Thermoelement, Spezifikationen und Versuchsbedingungen: Durchmesser ф 4,8 mm, 25 m lang, mit einer zentralen Heizzonenlänge von 20 m und einer Temperatur von 1000 Grad. In diesem Experiment beträgt der Temperaturunterschied zwischen der Thermoelementmessung und dem Mittelteil 200 Grad. Wenn die Temperatur am Messende höher ist als im mittleren Teil, tritt ein negativer Fehler auf; Im Gegenteil, es wird ein positiver Fehler generiert. Wenn der Temperaturunterschied zwischen den beiden 200 °C beträgt, beträgt der Ableitungsfehler etwa 100 °C. Dies kann nicht ignoriert werden, da Faktoren wie Shunt-Fehlerbedingungen sowie die Art und der Durchmesser von gepanzerten Thermoelementen [2]
Die Einflussfaktoren und Gegenmaßnahmen des Umleitungsfehlers
Es ist notwendig, die Einflussfaktoren von Umleitungsfehlern zu verstehen und geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um die Auswirkungen von Umleitungsfehlern zu reduzieren oder zu beseitigen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Shunt-Fehler von gepanzerten Thermoelementen durch hohe Temperaturen verursacht wird.
(1) Durchmesser des gepanzerten Thermoelements
Bei gepanzerten Thermoelementen vom Typ K mit einer Länge von 9 m (MgO-Isolierung) wird nur der mittlere Teil des Thermoelements erhitzt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Größe des Ablenkungsfehlers umgekehrt proportional zur Quadratwurzel seines Durchmessers ist (der Durchmesser ist zu klein, um dieser Regel zu entsprechen), was bedeutet, dass der Ablenkungsfehler umso größer ist, je kleiner der Durchmesser ist.
Wenn die Zentraltemperatur 800 Grad übersteigt, können gepanzerte 3,2-mm-Thermoelemente zu Shunt-Fehlern führen. Wenn jedoch die mittlere Temperatur des 8-mm-gepanzerten Thermoelements 900 Grad beträgt, wurde der Shunt-Fehler noch nicht erkannt. ca. ф 6,4 mm (Hotline-Durchmesser von Φ 1,4 mm) und ф 8 mm (Heizdrahtdurchmesser beträgt ф Ein 2,0 mm gepanzertes Thermoelement erzeugt einen Durchmesser, wenn die Temperatur im Mittelteil 1100 Grad beträgt ф 8 mm gepanzertes Thermoelement. Der Ablenkungsfehler beträgt nur ф Die Hälfte von 6,4 mm. Der Wert (50 %) liegt in der Nähe des Quadrats des Drahtdurchmessers von zwei gepanzerten Thermoelementen (1,42/2,02) sowie dem Quadratverhältnis des Elektrodendrahtdurchmessers, also dem Widerstandsverhältnis der Drahtelektrode Um Ablenkungsfehler zu reduzieren, sollte daher der Durchmesser des Panzerthermoelements gewählt werden.

(2) Temperatur des Mittelteils
Wenn die Temperatur im mittleren Teil 800 Grad übersteigt, liegt möglicherweise ein Umleitungsfehler vor, dessen Größe mit steigender Temperatur exponentiell zunimmt. Daher sollten außer dem Messende andere Teile über 800 Grad so weit wie möglich vermieden werden.
1) Die Länge und Position der Heizzone im Mittelteil
Wenn die Temperatur in der Mitte der Heizzone höher als 800 Grad ist, ist der Abweichungsfehler umso größer, je länger die Heizzone ist und je weiter sie vom Messende entfernt ist. Daher sollte die Länge des Heizbandes möglichst kurz sein und vom Messende her nicht beheizt werden, um Ablenkungsfehler zu reduzieren.
(3) Widerstand der Thermoelementdrähte
Wenn der Durchmesser des ummantelten Thermoelements gleich ist, erhöht sich der Shunt-Fehler mit zunehmendem Widerstand des Thermoelementdrahts. Daher ist es besser, Thermoelementdrähte mit kleinem Widerstand zu verwenden. Im Vergleich zu Thermoelementen vom K-Typ reduzieren beispielsweise gepanzerte Thermoelemente vom S-Typ mit demselben Durchmesser den Shunt-Fehler um 40 %. Daher können S-Typ-Thermoelemente zur Messung der Verteilung des Ofentemperaturfelds verwendet werden, was zwar kostspieliger, aber genauer ist.
(4) Isolationswiderstand
Bei hohen Temperaturen nimmt der spezifische Widerstand von Oxiden mit steigender Temperatur exponentiell ab. Der Shunt-Fehler hängt hauptsächlich von den Isolationseigenschaften von Hochtemperaturkomponenten ab. Je niedriger der Isolationswiderstand, desto leichter ist der Shunt-Fehler. Wenn der Isolationswiderstand um das Zehnfache steigt oder auf 1/10 sinkt, verringert sich der Shunt-Fehler auf das 1/10 oder Zehnfache. Um Umleitungsfehler zu reduzieren, sollten so weit wie möglich gepanzerte Thermoelemente verwendet werden, um die Isolationsdicke zu erhöhen. Sollten die oben genannten Maßnahmen wirkungslos bleiben, müssen montierte Thermoelemente verwendet werden.
5. Geordnete Strukturänderungen im Nahbereich (K-Zustand)
Thermoelemente vom K-Typ bilden im Temperaturbereich von 250 Grad -600 Grad aufgrund von Änderungen in ihrer Mikrostruktur geordnete Strukturen mit kurzer Reichweite, die das thermoelektrische Potenzial und den Fehler beeinflussen können, der als K-Zustand bekannt ist [3]. Dies ist eine einzigartige Gitterveränderung der Ni-Cr-Legierung. Wenn der Cr-Gehalt im Bereich von 5-30 % liegt, liegt ein geordneter Unordnungsübergang im Atomgitter vor. Fehler durch Änderungen des Cr-Gehalts und der Temperatur. Erhitzen Sie das K-Typ-Thermoelement von 300 Grad auf 800 Grad und entfernen Sie es bei einer Temperatur von 50 Grad, um das Potenzial zu messen. Bei 450 Grad erreicht die maximale Abweichung 4 Grad und im Bereich von 350-600 Grad handelt es sich um eine positive Abweichung. Aufgrund des Vorhandenseins des K-Zustands sind die Temperaturanstiegs- oder Abkühlungstestergebnisse von K-Typ-Thermoelementen inkonsistent. Daher ist im kostengünstigen Thermoelement-Verifizierungsprogramm klar festgelegt, dass die Testsequenz wie folgt aussieht: Temperaturtest Punkt für Punkt von niedriger Temperatur zu hoher Temperatur. Darüber hinaus ist am 400-Grad-Testpunkt nicht nur der Wärmeübertragungseffekt schlecht und es ist schwierig, ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen, sondern er liegt auch im maximalen Bereich des K-Zustandsfehlers. Beurteilen Sie daher sorgfältig, ob der Punkt qualifiziert ist.
Das Phänomen kurzreichweitiger geordneter Strukturänderungen in Ni-Cr-Legierungen tritt nicht nur beim K-Typ auf, sondern auch bei der positiven Elektrode von E-Typ-Thermoelementen. Das E-Typ-Thermoelement ist jedoch als Variante nur 2/3 des K-Typ-Thermoelements. Kurz gesagt, der K-Zustand hängt von Temperatur und Zeit ab und die Abweichung ändert sich stark, wenn sich die Temperaturverteilung oder die Position des Thermoelements ändert. Es ist schwierig, das Ausmaß der Abweichung genau einzuschätzen.