熱電偶溫度計量誤差分析

秦濤

摘 要：在現(xiàn)有的測溫系統(tǒng)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(xiàn)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，要求使用者應具備儀表方面的操作技能，以及物理、化學及材料等多方面知識。

關鍵詞：熱電偶；冷端溫度；誤差分析；

導言：在現(xiàn)代化生產(chǎn)裝置里，普遍都使用熱電偶或熱電阻來測量溫度，與熱電阻相比，熱電偶結構較復雜，使用條件苛刻。

一、熱電偶的測溫基本原理

溫度測量的方式一般分為接觸式測量和非接觸式兩大類，由于溫度參數(shù)的特殊性，使其無法通過直接方式獲取，而必須要利用一些物理特性與溫度之間有著特定函數(shù)關系的物質來進行間接的測量獲取。

從溫度測量的方式來看，熱電偶屬于接觸式測溫，熱電偶測溫元件進行溫度測量的基本原理是元件材料的熱電效應，具體來說，就是將電子密度不同的兩種金屬導體首尾相接組成閉合回路，當回路兩端的溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱電動勢，形成熱電流，這樣就可將溫度信號轉換為電壓信號以便于測量。利用熱電偶進行溫度測量具有準確度較高、動態(tài)響應快等特點，同時熱電偶測溫范圍相對較廣，信號可以遠距離傳送，這也使熱電偶測溫裝置能夠好更好地實現(xiàn)集中監(jiān)測以及自動控制。然而熱電偶測溫元件的精度在實際的使用過程中會受到一系列因素的影響，結合熱電偶測溫的基本原理，并通過技術手段對熱電偶測溫誤差原因進行分析，將能夠有效的控制測溫誤差的出現(xiàn)，提高熱電偶測溫的精度。

二、熱電偶溫度計量誤差分析

1.裝配誤差

1.1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。

1.2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(chǎn)生熱流。當環(huán)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(chǎn)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(tài)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。

2.測量誤差

2.1參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。

2.2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。

2.3 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(tǒng)的匹配問題，否則會引起測溫誤差。

3.動態(tài)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。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(shù)，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(shù)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(huán)境的輻射和沿熱電偶導線的導熱損失而產(chǎn)生放熱，則熱偶接點吸收的熱量轉變?yōu)榻狱c的溫度變化。

式中T -T=ΔT稱為熱電偶的動態(tài)響應誤差，τ稱為滯后時間或時間常數(shù)，從上式中可以看出，熱電偶的時間常數(shù)τ不僅取決于熱偶接點材料性質和結構參數(shù)（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(shù)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(wěn)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(tài)響應要高，即時間常數(shù)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(shù)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(shù)。

三、熱電偶正確使用方法

由以上分析可以看出，熱電偶的測量誤差不僅和其自身的物理性能有關，還與其使用方法是否正確有關。

1.熱電偶應選擇合適的安裝地點。將熱電偶裝于溫度較均勻且能代表工作溫度地方，熱電偶原參考端盡量避免溫度過高。

2.熱電偶插人溫場深度要適合，一般不應小于200mm熱電偶保護管與爐壁之間的空隙，須用耐火泥堵塞，以免空氣對流影響測溫準確性。

3.貴金屬熱電偶，不能在還原氣體中測溫。

4.在小直徑管道中安裝熱電偶時，熱電偶工作端一般迎著熱流方向，在大直徑管道中安裝熱電偶時，熱電偶應垂直管壁。

5.熱電偶應盡可能保持垂直使用，以防保護管在高溫下變形。若需水平安裝時，插人深度不應大于500mm，露出部分應采用架子托牢，并在使用一段時間后，將其旋轉180°。

四、熱電偶誤差修正技術發(fā)展趨勢

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

1.軟件化

根據(jù)上文介紹，熱電偶節(jié)點與被測介質、環(huán)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(tǒng)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(fā)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(shù)值，使得熱電偶測溫精度又上升了一個臺階。

2.自動化

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，效率是衡量企業(yè)核心競爭力的一個重要因素。這就要求企業(yè)設備更加簡單化、自動化。對于工業(yè)生產(chǎn)，溫度往往作為一個控制參數(shù)參與生產(chǎn)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(xù)生產(chǎn)過程的順利進行。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(yè)生產(chǎn)精度要求的溫度。

3.智能化

工業(yè)生產(chǎn)中，測溫環(huán)境多種多樣。如果根據(jù)不同的測溫環(huán)境，生產(chǎn)相對應的熱電偶，無異大大增加了生產(chǎn)成本。如果能有一種可以根據(jù)測溫環(huán)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(chǎn)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。

結語

通過以上分析可以使我們對以熱電偶為感溫元件的溫度計量誤差情況有了系統(tǒng)認識，得出了對熱電偶的不穩(wěn)定性、不均勻性、參考端溫度變化以及熱電偶安裝使用不當都可以引起測量誤差，還使我們了解到要想提高溫度測量的準確應從哪些方面考慮問題，這些都是對我們今后的溫度計量工作十分有益的。

參考文獻

[1]付慧敏.淺談熱電偶傳感器的選用方法[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2012（12）.

[2]吳萬奮.快速熱電偶測溫誤差綜述.中國測量技術，2016，（6）

（作者單位：襄陽市計量檢定測試所）