熱電偶溫度計量的誤差原因分析

馮巖

（甘肅省計量研究院，甘肅 蘭州 730070）

熱電偶是工業(yè)上使用最廣泛的感溫元件之一，相對其他溫度傳感器器件而言，熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測溫范圍廣和性價比高等優(yōu)勢。但就目前應用而言，熱電偶受一定的外界因素影響，極易造成誤差，因此需要了解熱電偶的工作過程，深入分析熱電偶溫度計量的誤差原因。

1 熱電偶測溫的原理簡述

熱電偶溫度計主要有感溫元件和外部保護裝置組成，其中感溫元件是由兩種不同材質(zhì)的導體或者半導體構(gòu)成，兩種材料通過焊接形成一個閉合的回路。當二者之間的執(zhí)著點之間出現(xiàn)了溫差 ，二者就會出現(xiàn)電動勢 ，這個電動勢會在整個回路形成一個電流，這種現(xiàn)象被稱為熱電效應。根據(jù)熱電效應，將感溫元件產(chǎn)生的電流通過電氣儀表作用轉(zhuǎn)換為被測介質(zhì)的溫度，這就是熱電偶溫度計的主要工作原理。

2 熱電偶溫度計量誤差的主要因素

2.1 熱電偶熱電特性不穩(wěn)定所引起的誤差

熱電偶溫度計經(jīng)過一段時間使用，受其使用的環(huán)境影響，其本身的熱電性能將會產(chǎn)生一定的變化，則該熱電偶溫度計計量得到的溫度與真實溫度有一定的偏離。影響熱電偶穩(wěn)定性的主要因素有：（1）被測物對熱電偶電極的污染和腐蝕；（2）熱電極受外力作用而產(chǎn)生的變形所引起的形變應力；（3）感溫電極在高溫下微觀結(jié)構(gòu)晶粒發(fā)生變化；(4)熱電極受暴露在空氣中發(fā)生氧化等。

2.2 熱電偶不均勻性的影響

熱電偶的均勻性是指熱電偶熱電極材料的均勻程度。如果熱電偶中的兩個熱電極材料是均勻的，則熱電偶回路產(chǎn)生的熱電勢和兩端溫度差呈正相關(guān)，而與沿熱電極長度的溫度梯度無關(guān)。

2.3 測量溫度點的選擇

選擇合適的測溫點是安裝熱電偶時十分重要的考慮因素，選擇具有代表性的測溫點，對于整個生產(chǎn)環(huán)境具有特殊的意義。位置選擇不當，則控制和計量將毫無意義。在測量點，熱電偶插入的深度也對溫度測量產(chǎn)生影響，當外部環(huán)境和被測物溫度存在溫度差時，熱電偶上測量的溫度會隨著傳感器的延長而與外界環(huán)境產(chǎn)生熱交換，繼而帶來計量誤差。由于環(huán)境溫度千變?nèi)f化，這種溫度誤差是不可估量的。除了由于插入深淺發(fā)生熱傳導引入的誤差以外，熱電偶外部保護管材質(zhì)也會引入測量誤差。例如金屬材質(zhì)的保護管，其導熱性能較好，因此在測量過程中需要將其插入更深以避免熱量損失。對于陶瓷材質(zhì)的保護管，則需要將其插入淺一些。

2.4 響應時間的影響

只有被測對象和測溫元件溫度一致時，測溫元件的溫度才能穩(wěn)定，此時二者達到熱平衡，這是接觸法測溫的基本原理。被測對象和測溫元件溫度達到一致需要一定時間來實現(xiàn)，該時間的長短，主要由測溫元件的熱響應性能決定，即熱響應時間。熱響應時間受傳感器的結(jié)構(gòu)和計量條件影響，通過實驗，不同條件下的響應時間差別很大。靜止的氣態(tài)介質(zhì)，兩者需要持續(xù)接觸30分鐘以上才能達到溫度平衡，如靜態(tài)的液體，溫度平衡時間將縮短到5分鐘。在實際工程應用中，被測對象的溫度經(jīng)常是處于不斷變化的狀態(tài)，瞬間變化的時間很短，因此對傳感器的要求也相對較高，一般要求其響應能力為ms級別。如響應能力不足，則出現(xiàn)測量滯后現(xiàn)象。因此選擇傳感器要選擇響應速度快的。計量端直徑是影響響應速度的重要因素。如果偶絲較細，則響應時間較短。

2.5 熱輻射的影響

當用熱電偶測量爐中溫度時，爐內(nèi)高溫物體對熱電偶的熱輻射，會引起熱電偶溫度升高。如果爐內(nèi)的氣體假定為透明的 ，熱電偶和爐壁之間的溫差比較大時 ，那么能量交換之后也會帶來測溫方面的誤差。增加熱傳導能夠有效的降低這部分誤差，讓爐壁的溫度和熱電偶溫度接近。

2.6 熱阻抗增加的影響

當熱電偶處于高溫的工況環(huán)境下，氣態(tài)被測介質(zhì)會將保護管表層灰塵燒熔，引起保護管熱阻抗增加。如果介質(zhì)是熔體，那么在操作中會出現(xiàn)爐渣的沉淀 沉淀的爐渣會增加熱電偶響應時間，指示溫度方面會變低。因此定期檢查或不定時的抽檢熱電偶的工作狀態(tài)，能夠及時的發(fā)現(xiàn)熱電偶產(chǎn)生的異常，減少測量誤差。

2.7 熱電偶絲不均質(zhì)引起誤差

根據(jù)上述測量原理，當熱電偶的偶絲均質(zhì)時，根據(jù)均質(zhì)回路定則，長度對計量的結(jié)果沒有影響。而實際情況是，廠家在進行偶絲生產(chǎn)時，通常會因為溫度等原因 ，導致偶絲粗細不均，呈竹節(jié)狀，甚至出現(xiàn)嚴重的打卷現(xiàn)象。另外在后期的加工中會出現(xiàn)其他問題，對熱電偶進行的反復加工，會讓熱電偶出現(xiàn)畸變從而失去均質(zhì)。在進行測溫工作時，很多偶絲位于高溫區(qū)，如果不具備均值性，且環(huán)境溫度變化 ，那么熱電偶局部就會出現(xiàn)寄生熱電動勢，從而引入誤差。

3 結(jié)語

從熱電偶的基本工作原理、具體的使用方法和生產(chǎn)制作過程中存在的問題等方面進行深入分析，得到了熱電偶溫度計量產(chǎn)生誤差的主要原因，在熱電偶的制作和使用中，傳感器插入位置與深淺、熱電偶對溫度的響應時間、環(huán)境對熱電偶的熱輻射、熱阻抗改變、熱電偶絲不均質(zhì)等都是產(chǎn)生計量誤差的主要因素，因此提升溫度計量的準確度要從上述因素中減小和避免。分析熱電偶溫度計量的誤差原因，對實際工程應用具有一定的指導意義。

[1]王魁漢.溫度測量技術(shù)[M].東北工學院出版社，1992.

[2]徐科軍.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2004：75-92.