T型熱電偶實驗選取標定與誤差分析研究

賀普春

陜西省土地工程建設集團有限責任公司延安分公司

0 引言

熱電偶是目前市場上常用的一種測量溫度的工具，因其具有簡易結構、精度高、測量范圍廣、使用方便等優點，廣泛應用于生產生活中用于實時測溫等[1-2]。

T 型熱電偶具有精度高、性能穩等特點[3]，廣泛應用于中低溫范圍測溫中。但目前市場上對于室溫范圍內的測量使用以及選型大多以K 型熱電偶為主[4-5]，對于測溫較好的中低溫的T 型熱電偶很少使用，且現有市場生廠廠家繁多，生產出來的材質各不統一，難免會存在同型號熱電偶與熱電偶之間的差異。其次，目前國內外學者主要注重于對熱電偶的選型和誤差分析[6-7]，適用場合[8]，以及應用等研究[9-10]。雖已取得了一定的研究成果，但對其T 型熱電偶的校核標定以及分析相對有限，對其具體應用于室溫范圍內的測試誤差研究更加略顯不足[11]。此外，由于安裝以及使用者自身等原因也會加大這一問題的嚴重性，致使熱電偶存在很大的偏差，不能反映實際狀態下的工作溫度，很難滿足實驗需求。因此，針對這一問題，本文選取種T 型熱電偶為常溫測試的研究對象，根據使用條件進行對比校核實驗。

1 溫差電偶的測溫原理及使用方法

1.1 測溫原理

熱電偶又被叫做溫差電偶，是指由兩種不同的材料的導體彼此緊密接觸而組成的[3]。當兩個接觸點存在一定的溫差時，在回路中就有電流產生，因此兩個接觸點存在電動勢，該電動勢稱溫差電動勢或熱電動勢[1]，如圖1[12]所示。

圖1 熱電偶測溫原理示意圖

熱電偶一般是由兩種不同金屬材料的一段焊接而成，如圖1 所示，A、B 稱為熱電極，焊接的一段直接接觸被測熱場的T1端稱為測量端，沒有焊接的一段則連接測量設備，處于恒定溫度T2端稱為參考端[12]。T1、T2相差越大，輸出的電動勢就越大，熱電偶可以通過熱電動勢的大小間接得到溫度的大小。因此，溫差電偶的測溫范圍取決于制作溫差電偶的材料，常用的有：T分度熱電偶（中低溫區）、K 和N 分度熱電偶（中高溫區）、S 和R、B 分度熱電偶（高溫區）[4]。

1.2 熱電偶使用方法

如圖2[13]所示，在使用熱電偶的同時，需根據接線示意圖進行正確地接線。在標定前必須進行外觀檢查、焊接點檢查是否光滑、牢固等可能出現的問題，其次對正負極的接入要嚴格按照正反進行連接，同時檢查電勢是否正常，檢查熱電極是否變脆，老化，變色以及腐蝕等問題[13]。

圖2 熱電偶接線示意圖

本文采取固定溫度點法發進行熱電偶標定實驗，具體是指在所測溫度范圍內，選取固定端參考溫度（0 ℃到60 ℃）正常范圍內，盡可能多的在選取范圍內選取篤定點就行校核。實驗末端的測量設備選取KEITHLEY2701。實驗選取了市場上常用的3 家T 型熱電偶作為實驗材料，每根長度為3 m，分別編為1、2、3 進行實驗研究。

2 討論與分析

2.1 采用固定溫度點發進行標定

從圖3 中可以看出，3 種不同的編號的熱電偶均呈現出相同的趨勢，且類似于較好的線性趨勢。1 號熱電偶與標準固定溫度點的數值相差不大。可以看出，熱電偶的測溫性能十分可靠。但在溫度相對較低時則呈現出相反的趨勢，在0 ℃左右時，熱電偶呈現出左右波動，其可能出現的原因是存在一個時間常數的影響[14]，造成熱電偶示數與固定點之間的差異。同樣，2號、3 號熱電偶均呈現出與1 號熱電偶相同的線性趨勢，且3 號熱電偶與標準固定溫度點的數值相差略大于1 號、2 號熱電偶所呈現出的趨勢。可能存在的原因是長度以及接觸點的問題導致不同熱電偶之間存在著一定的差異，但總體來說，熱電偶在一定范圍內具有很好的測溫效果。

圖3 不同編號熱電偶隨溫度變化

2.2 不同編號熱電偶之間的差異

從圖4 中可以看出，1、2、3 號熱電偶存在較大地差異，且3 號熱電偶的最高。在低溫時2 號熱電偶的最低，當溫度升高時1 號熱電偶的最低。在相同范圍內，3號熱電偶的度數更加接近于真實數值，更能反映實際情況。將3 條熱電偶進行多項式擬合，得到公式如表1所示。

圖4 不同編號熱電偶的差異

表1 不同編號熱電偶的擬合公式

從表1 中可以看出，熱電偶均呈現出良好的線性關系，但熱電偶之間也存在著較大的差異，當測試儀器讀數為0 時，此時呈現出，3 號熱電偶＞1 號熱電偶＞2 號熱電偶，1、2、3 號熱電偶對應的實際值分別為8.863 ℃、6.291 ℃、6.392 ℃,1 號熱電偶對應的實際值比2 號熱電偶對應的實際值高出2.572 ℃，1 號熱電偶對應的實際值比3 號熱電偶對應的實際值高出2.471 ℃，3 號熱電偶對應的實際值比2 號熱電偶對應的實際值高出0.101 ℃。當溫度升高時，1、2 號熱電偶呈現出相反趨勢，呈現出3 號熱電偶＞2 號熱電偶＞1號熱電偶。因此，3 種不同的熱電偶存在性能差異可能與熱電偶絲不均質有關，文獻[6]給出這一結論，驗證了本文的正確性。

3 誤差分析

3.1 熱電偶自身存在的因素

一般來說熱電偶若是由均質導體制成的，則其熱電勢只與兩端的溫度有關，若熱電極材料不是均勻的，且熱電極又處于溫度梯度場中，則熱電偶會產生一個附加熱電勢，即“不均勻電勢”[16]。其大小取決于熱電偶長度的溫度梯度分布、材料的不均勻形式、不均勻程度，以及熱電極在溫度場所處的位置。

造成熱電偶不均勻性的主要原因有：如化學成分中雜質分布不均勻，成分含量的偏差，以及熱電偶表面局部的氧化問題，熱電偶在有些物質或者氣體中受到腐蝕和干擾等會造成偏差。而對于新制的熱電偶，還存在加工問題，彎曲以及焊點存在氣密性有氣泡等都會致使熱電偶在生產加工中存在畸變，會對測試造成誤差[6]。

其次，熱電偶同時也存在著不穩定性：不穩定性具體是指熱電偶的分度值隨使用時間和使用條件的不同而起的變化。在大多數情況下影響不穩定性的因素有：污染覆蓋，熱電極在高溫下易揮發，氧化和還原，甚至存在老化、脆化以及焊點開焊等現象。需進行定期維修除去表面污物，改善其熱電偶特性，延長熱電偶壽命，尤其在測試前期需對熱電偶進行嚴格篩選和檢查。

3.2 實驗系統對實驗結果的影響

熱電偶安裝影響：熱電偶應按照使用要求進行布點，應安裝在能代表被測介質溫度處，避免裝在閥門處、彎頭拐角處及管道、設備的死角不好操作的附近。當熱電偶插入深度超過1 m 時，應盡可能的垂直安裝，或加以支撐保護[15]。若熱電偶較長，則長度過長則會存在溫度梯度，因此測量端必然會沿熱電極導熱，一部分熱量會從溫度較高的熱端經過保護套管、熱電極等傳到溫度較低的冷端。這樣熱電偶測得的溫度較之實際溫度會偏低，因此為了減少誤差，可采取如下措施：增加熱電偶的插入深度或者盡可能采用熱傳導系數小的材料作保護套管。

測量系統漏電分流影響[17]：熱電偶在結構上存在缺陷等會使絕緣層出現漏電現象，對熱電偶溫差電動勢的測量有很大影響，使測量結果整體變小，甚至出現測量值無法顯示的故障。而出現漏電引起誤差是多方面的，一般可能是智能控溫實驗儀漏電、電位差計漏電、絕緣層老化漏電，都可能使工作電流出現損失，使測量產生誤差。

3.3 電動勢測量時產生的誤差

冷端補償的選擇[3]：根據熱電偶測溫原理，熱電偶的溫差電勢只反映出來的是相對溫度，而熱電偶在回路中的熱電動勢的大小不僅與測量端的溫度密切相關，而且與參考端的溫度也有關系，它是由兩者的溫度的差值共同決定的，因此參考溫度的選擇對實驗的結果的精確影響很大。現有情況下選擇的參考端溫度等于0 ℃，然而在實際使用熱電偶測溫過程中，冷端溫度很難維持，甚至不為0 ℃，而且往往是變化的。文獻[3]利用軟件實現冷端補償，提高測試精度，并進行了實驗方案可行性研究。其次室溫存在很大的波動性，不宜作為溫度定標實驗的參考溫度，而且在實驗過程中還會出現人為誤差因素的影響、測量儀器精度等問題。其中測量儀器的精度等級的選擇要考慮測溫點要求的準確性是否匹配等都需要考慮[4]，而不是盲目的直接拿過來測試。

時間常數：一般在溫度穩定或變化很慢的對象上測量溫度時，動態誤差很小，但對溫度變化很快的對象，動態誤差就會增大，通常用時間常數[12]來表征熱電偶響應速度的快慢，時間常數越小，響應越快，動態誤差就越小。因此，時間常數的大小是決定動態誤差的主要因素。

3.4 熱電偶實際應用中減小實驗誤差方法

1）根據實驗環境所需匹配適合量程下的熱電偶型號。

2）根據實際環境選擇合適的冷端補償器。

3）熱電偶的安裝深度應放在中間位置，且不要隨意更改變動。

4）熱量沿熱電極傳導，熱端與周壁的熱交換等熱損失，會產生溫度測量誤差，盡量縮小熱電偶測量端的尺寸，并使體積與面積之比盡可能小，以減小測量端的熱容量，提高響應速度。

5）采用導熱性能好的材料做保護管，管壁要薄，內徑要小，減小保護管與熱電偶測量端之間的空氣間隙或填充傳熱性能好的其它材料。

6）測量時要在智能恒溫控制儀的溫度穩定時方可讀數。

7）在熱電偶接線時嚴格按照圖紙進行，正負極的接法以及檢測。

4 結論

本文通過對T 型熱電偶實驗原理、標定過程以及誤差等幾方面進行綜合分析，初步得到以下結論：

1）熱電偶隨著固定點溫度變化均呈現較好的線性關系，且同型號的熱點偶仍存在較大地差異，應在使用前進行校核實驗。

2）同型號的熱電偶進行標定比較發現，3 號熱電偶效果更好，更能符合實際溫度的需求，但仍然存在差異。

3）通過對熱電偶的標定實驗以及誤差進行分析，結果發現電偶需綜合考慮自身以及外界的因素共同影響。為今后實驗材料的選取以及儀器維護、校核、維護提供了經驗參考，有助于實驗正常有序的進行。