熱電偶的測溫誤差分析及解決方案

摘要： 熱電偶是一種最簡單、最普通的溫度傳感器。可是如果在使用中不注意，也會引起較大測量誤差。針對當前存在的問題，文章詳細探討了影響測量誤差的主要因素：裝配誤差、測量誤差、響應響應誤差、熱輻射及熱阻抗誤差、劣化誤差等，并指出相應的解決方案，對提高測量精度，延長熱電偶壽命，有一定幫助。

關鍵詞： 熱電偶 溫度誤差 分析 解決方案

在現有的測溫系統中，熱電偶作為最常用的溫度傳感器，雖然簡單，但在使用中卻常會出現各種問題。為了提高測量精度，減少測量誤差，延長熱電偶使用壽命，要求使用者不僅應具備儀表方面的操作技能，還應具有物理、化學及材料等多方面知識。本文較為詳細地介紹了熱電偶的測量誤差及其解決方案。

一、裝配誤差

1.測溫點的選擇

熱電偶的安裝位置，即測溫點的選擇是最重要的，選擇測溫點時應具有典型性、代表性，否則將失去測量與控制的意義，例如測量管道中流體溫度時，熱電偶的測量端應處于管道中流速最大處。一般來說，熱電偶的保護套管末端應越過流速中心線。

2.插入深度的控制

熱電偶插入被測場所時，沿著傳感器的長度方向將產生熱流。當環境溫度低時就會有熱損失，致使熱電偶與被測對象的溫度不一致而產生測溫誤差。總之，由熱傳導而引起的誤差，與插入深度有關。而插入深度又與保護管材質有關。金屬保護管因其導熱性能好，其插入深度應該深一些（約為直徑的15—20倍）；陶瓷材料絕熱性能好，可插入淺一些（約為直徑的10—15倍）。對于工程測溫，其插入深度還與測量對象靜止或流動等狀態有關，如流動的液體或高速氣流溫度的測量，就不受上述限制，插入深度可以淺一些，具體數值應由實驗確定。

二、測量誤差

1.參考端溫度沒有得到完全補償而引入的誤差

參考段溫度保持在0℃當然最好，實際測溫時，參考端不可能是0℃，但是可以采用恒溫器、補償電橋或補償導線等方法來設法恒定在某一溫度下。

2.補償導線使用不當引入的誤差

使用補償導線時，一定要注意選擇與熱電偶相匹配的導線，一定要注意補償導線的正負極與熱電偶的正負極相連接。補償導線使用不當會引起較大的測量誤差。

3.測量儀表與測量電路電阻變化引起的誤差

測量儀表的精度等級高低是決定測量誤差大小的因素之一，儀表精度等級的選擇要從測溫所要求的準確度和整個測溫系統的匹配問題，否則會引起測溫誤差。

三、動態響應誤差

接觸法測溫的基本原理是測溫元件要與被測對象達到熱平衡。因此，在測溫時需要保持一定時間，才能使兩者達到熱平衡。保持時間的長短同測溫元件的熱響應時間有關，而熱響應時間主要取決于傳感器的結構及測量條件，差別極大。對于氣體介質，尤其是靜止氣體，至少應保持30秒鐘以上才能達到平衡；對于液體而言，最快也要在5秒鐘以上。

對于溫度不斷變化的被測場所，尤其是瞬間變化過程，全過程僅1秒鐘，則要求傳感器的響應時間在毫秒級。因此，普通的溫度傳感器不但跟不上被測對象的溫度變化速度出現滯后，而且會因達不到熱平衡而產生測量誤差。最好選擇響應快的傳感器。滯后時間不僅決定于熱電偶材料的導熱系數，熱偶接點的表面積、容積、熱容量，還決定于被測介質的熱容量和導熱系數以及介質（流體）本身的流動情況。

熱電偶測溫時，與被測介質之間的熱交換主要是對流傳熱，通過對流體傳熱使熱偶接點吸熱溫度升高。對流傳熱的大小決定于介質溫度與熱偶接點溫度之差和熱偶接點與被測介質接觸的面積大小，即：

如果忽略熱偶接點溫度對周圍環境的輻射和沿熱電偶導線的導熱損失而產生放熱，則熱偶接點吸收的熱量轉變為接點的溫度變化。

式中T -T=ΔT稱為熱電偶的動態響應誤差，τ稱為滯后時間或時間常數，從上式中可以看出，熱電偶的時間常數τ不僅取決于熱偶接點材料性質和結構參數（如熱偶接點的比熱容、密度、體積），還隨被測介質工作狀況的不同而變化（如傳熱系數和熱偶接點被介質包圍的面積）。故不同的工作狀況就有不同的τ值。如果被測溫度不是穩定值，而是隨時間迅速變化，要能反映出某瞬時的真實溫度，這就要求熱電偶的動態響應要高，即時間常數要小。具體措施如下：

①減小熱偶接點體積。接點體積的減小，熱容量也隨之減小，而且傳熱系數α隨之增大。

②增大熱偶接點與被測介質接觸的表面積A 。對于相同體積的接點，若將球形壓成扁平狀，體積不變而表面積增大了，這樣就可減小時間常數。

四、熱輻射誤差

插入爐內用于測溫的熱電偶，將被高溫物體發出的熱輻射加熱。假定爐內氣體是透明的，而且，熱電偶與爐壁的溫差較大時，將因能量交換而產生測溫誤差。

在單位時間內，兩者交換的輻射能為P，可用下式表示：

在單位時間內，熱電偶同周圍的氣體（溫度為T），通過對流及熱傳導也將發生熱量交換的能量為P′

P′=αA（T-Tt）

式中：α——熱導率

A——熱電偶的表面積

在正常狀態下，P=P′，其誤差為：

對于單位面積而言其誤差為

因此，為了減少熱輻射誤差，應增大熱傳導，并使爐壁溫度Tw，盡可能接近熱電偶的溫度Tt。另外，在安裝時還應注意：

①熱電偶的安裝位置，應盡可能避開從固體發出的熱輻射，使其不能輻射到熱電偶表面；

②熱電偶最好帶有熱輻射遮蔽套。

五、熱阻抗誤差

在高溫下使用的熱電偶，如果被測介質為氣態，那么保護管表面沉積的灰塵等將燒熔在表面上，使保護管的熱阻抗增大；如果被測介質是熔體，在使用過程中將有爐渣沉積，不僅會增加熱電偶的響應時間，還會使指示溫度偏低。因此，除了定期檢定外，為了減少誤差，經常抽檢也是必要的。例如，進口銅熔煉爐，不僅安裝有連續測溫熱電偶，還配備消耗型熱電偶測溫裝置，用于及時校準連續測溫用熱電偶的準確度。

六、劣化誤差

所謂熱電偶的劣化，即熱電偶經使用后，出現老化變質的現象。由金屬或合金構成的熱電偶，在高溫下其內部晶粒要逐漸長大。同時合金中含有少量雜質，其位置或形狀也將發生變化，而且，對周圍環境中的還原或氧化性氣體也要發生反應。伴隨上述變化，熱電偶的熱電動勢也將極其敏感地發生變化。因此熱電偶的劣化現象是不可避免的。

熱電偶發生老化的原因因熱電偶不同而異，主要有兩方面原因：一方面是熱電偶材料本身長期在高溫作用下發生變質；另一方面是測溫環境各種氣氛對熱電偶的作用使熱電極發生質變。減小老化誤差的途徑一是注意各種熱電偶測溫條件，二是定期對熱電偶進行檢定。

綜上所述，雖然在運用測量溫度時會存在著諸如裝配誤差﹑測量誤差、響應響應誤差﹑熱輻射及熱阻抗誤差、劣化誤差的影響，但若能掌握誤差產生的原理，并采取相應有效的補償措施，仍能提高熱電偶的測量精度，延長熱電偶的壽命。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”