熱電偶測溫誤差修正技術的現狀及發展趨勢

摘 要：一直以來，溫度都是工業生產過程中的重要參數。溫度測量的精度將會直接影響產品的品質。隨著工業生產技術的快速發展，對測量溫度的精度提出了更高的要求。熱電偶作為一種使用最為廣泛的測溫元件，其測溫精度也應隨之提高。本文闡述了熱電偶誤差修正技術的現狀，并對其發展趨勢進行了簡要分析。

關鍵詞：熱電偶；誤差修正；測溫精度；冷端補償

中圖分類號：TP212.11 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）05-0072-02

溫度在工業控制中是個很重要的參數，特別是在冶金、化工等領域，對溫度的測量精度要求都較高。熱電偶憑借其精度高、測量范圍寬、成本低廉等優點，成為工業生產過程中測量溫度的重要元件。然而熱電偶在測溫過程中總是存在這樣或那樣的誤差，嚴重影響測溫精度，所以對熱電偶測溫誤差修正的研究有著重要意義。本文介紹了熱電偶測溫修正技術的現狀，并對其發展趨勢做了簡要分析。

1 熱電偶測溫原理簡介

把兩種不同材料的導體或半導體（如：鎳鉻-鎳硅）兩端對接，組成一個回路，這個回路就叫做熱電偶。組成熱電偶的導體稱為熱電極。工業生產的熱電偶一般為一端焊接，另一端分別連接到配套儀表兩端。焊接端插入到被測介質中，稱為熱端或工作端，另一端為冷端或自由端。根據賽貝爾效應，當熱電偶兩端溫度不同時，回路中就會產生一個電動勢，形成電流，把產生的電信號傳輸到儀表里，就可以達到測溫的目的。如圖1所示。

熱電偶回路中的電動勢只與熱電極材料和兩端溫度有關，與熱電偶形狀尺寸等無關。對于材料已知的熱電偶，其電動勢只與溫度有關，根據中間溫度定律熱電偶測溫誤差修正技術的現狀及發展趨勢

竇洋

（廈門大學航空航天學院，福建廈門 361005）

摘 要：一直以來，溫度都是工業生產過程中的重要參數。溫度測量的精度將會直接影響產品的品質。隨著工業生產技術的快速發展，對測量溫度的精度提出了更高的要求。熱電偶作為一種使用最為廣泛的測溫元件，其測溫精度也應隨之提高。本文闡述了熱電偶誤差修正技術的現狀，并對其發展趨勢進行了簡要分析。

關鍵詞：熱電偶；誤差修正；測溫精度；冷端補償

中圖分類號：TP212.11 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）05-0072-02

其中，為電動勢大小，可從顯示儀表中讀出；，分別為熱端和冷端的電動勢，可由對應材料的分度表查得。由此就可以通過電動勢確定被測介質的溫度。

2 熱電偶誤差來源分析

在溫度測量中，熱電偶的應用極為廣泛。它直接和被測對象接觸，不受介質影響，所以精度較高[1]；測量范圍廣，常用的熱電偶測溫范圍可達到-50～+1600℃，某些特殊的熱電偶最低可測-296℃（如金鐵鎳鉻），最高可達+2800℃（如鎢-錸）[2]；結構簡單、制造方便、慣性小和輸出信號便于遠傳等許多優點。但是，熱電偶測溫也存在一定的誤差，從而影響測溫精度。熱電偶誤差來源主要有以下幾種：

（1）冷端溫度不穩定，導致回路熱電勢變化，產生誤差；

（2）熱電偶熱端與冷端溫度不同，兩者之間存在導熱，產生誤差；

（3）熱電偶節點與被測介質、周圍環境之間存在熱輻射，導致能量交換，產生誤差；

（4）熱電偶回路熱電勢與溫度之間存在非線性，產生誤差。

由于上述4種不同類型誤差的存在，使得熱電偶測溫精度變低。當測溫誤差較大時，不僅會導致工業生產效率降低、產品達不到生產要求，還可能會導致設備運行不正常，甚至導致安全事故的發生。所以，熱電偶測溫誤差的修正是相當重要且必不可少的。

3 熱電偶誤差修正技術現狀

由于熱電偶測溫的諸多優點，使得熱電偶在測溫領域應用極為廣泛。同樣地，研究熱電偶誤差修正的學者甚多，使得熱電偶測溫誤差修正技術快速發展，測溫誤差越來越小，精度越來越高。

對于（1）類誤差，最常用的方法有兩種：一是把冷端置于恒溫槽中；二是在熱電偶測溫回路中增加冷端溫度補償電橋；現在的研究主要集中在補償電路的設計上。比如，吉林工業大學的張詩榮等[3]應用溫度電流傳感器AD590，設計出了一種高精度熱電偶冷端補償電路。金榮泰等[4]利用晶體三極管的隨溫度變化的特點，設計了一種熱電偶冷端補償電路。

對于（2）、（3）類誤差，研究多集中在數值模擬分析方面。根據模擬結果，采取相應措施，以減少誤差。如徐順生等[5]詳細分析了熱電偶節點與被測介質、被測環境之間的熱輻射，提出了給熱電偶帶遮熱套并對其進行高速抽氣等減小誤差的措施，取得了較好的效果。

相比上述3種誤差，（4）類誤差研究相對較少。研究多集中在數值方法上。如王建萍[6]提出了一種熱電偶非線性校正法（分段偏移法）。通過對熱電偶分度表求反函數，然后用分段偏移算法對非線性進行補償，取得了較好的效果。

當然，熱電偶測溫誤差還有其他的來源，同樣能對測溫精度產生影響。如熱電偶響應時間、熱電偶插入被測介質的深度等[7]對測溫的影響。這些影響雖然較小，但對于測溫精度要求較高的情況是不可忽略的，可以適當加以分析。

4 熱電偶誤差修正技術發展趨勢

熱電偶被用來測溫的時間較早，經過幾十年的發展，熱電偶誤差修正技術日臻成熟，測溫精度也已經達到了一個很高的水平。但是，要滿足快速發展的工業生產的要求，熱電偶測溫修正技術也應跟上其步伐。

4.1 軟件化

根據上文介紹，熱電偶節點與被測介質、環境溫度之間存在輻射，熱電偶冷熱端之間存在熱傳導。這些由于輻射、熱傳導所導致的誤差很難用傳統的方法計算出來，一般都是估計或直接忽略，導致熱電偶測溫精度降低。隨著CFD（計算流體動力學）技術的快速發展，其慢慢被應用到熱電偶輻射、熱傳導的計算中，可以對上述誤差計算出較為準確的數值，使得熱電偶測溫精度又上升了一個臺階。一個好的CFD模型和求解算法，會得到更為精確的結果。可見，以后的研究重點將會轉移到如何進行CFD建模和優化求解算法方面上來。

4.2 自動化

現代工業生產中，效率是衡量企業核心競爭力的一個重要因素。這就要求企業設備更加簡單化、自動化。對于工業生產，溫度往往作為一個控制參數參與生產過程，這就需要熱電偶能快速的測出精確的溫度，以保證后續生產過程的順利進行。所以，熱電偶測溫誤差修正技術不能再對各類誤差單獨分析，需要同時考慮各種誤差并能快速顯示出更加精確的溫度。這就需要一種新的熱電偶測溫誤差修正技術，它盡可能的考慮更多的誤差因素并能合理考慮各因素的權值，測出滿足工業生產精度要求的溫度。

4.3 智能化

工業生產中，測溫環境多種多樣，不僅使得熱電偶測溫誤差來源不同，而且各類誤差權重也存在較大差異。所以，單一的熱電偶已不能同時滿足各類生產過程的測溫要求。如果根據不同的測溫環境，生產相對應的熱電偶，無異大大增加了生產成本。如果能有一種可以根據測溫環境自動變換測溫模式的熱電偶，就能完美的解決上述問題。這種誤差修正技術不僅大大提高了熱電偶的通用性，而且降低了生產成本，使得熱電偶更容易校正和維修。結合當下熱門的云計算、人工智能等技術，相信更加智能的熱電偶誤差修正技術能被較快的研究出來，使得熱電偶更加智能化，測溫更加精確。

5 結語

隨著電路電子、計算機、互聯網技術的快速發展，熱電偶測溫誤差修正技術得到了較快的發展。熱電偶誤差修正技術也在向著更嚴謹、更實用的方向發展，未來更將使得熱電偶測溫更加穩定，實現小型化、智能化。這也要求我們必須要不斷研究、總結熱電偶誤差修正技術，發現未知的誤差來源并對此提出解決方法。總之，隨著工業生產對產品品質要求的提高，對測溫精度提出了更高的要求，同樣熱電偶誤差修正技術也面臨著更嚴峻的考驗。

參考文獻

[1]陳浩，鄧忠華，余紅梅.熱電偶測溫系統原理及應用[J].制造業自動化，2004，26（9）：68-71.

[2]張春明，肖燕紅.熱電偶測溫原理及應用[J].攀枝花科技與信息，2009（3）：58-62.

[3]張詩榮，王殿方.一種高精度熱電偶冷端補償電路的設計[J].電測與儀表，1994（9）：35-37.

[4]金榮泰，許昌.熱電偶冷端補償電路的一種設計方法[J].儀表技術，2000（1）：43-44.

[5]徐順生，時章明，楊剛，王達科.基于傳熱原理的熱電偶測溫誤差模型及應用[J].傳感器與微系統，2006，25（5）：15-18.

[6]王建萍.一種新的熱電偶測溫非線性校正法-分段偏移法[J].計量技術，1998（11）：17-20.

[7]王淑英.對熱電偶測溫誤差的分析[J].科學咨詢：決策管理，2009（1）：69-69.