熱電偶溫度計(jì)量誤差分析

秦濤

摘 要：在現(xiàn)有的測(cè)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(huì)出現(xiàn)各種問題。為了提高測(cè)量精度，減少測(cè)量誤差，延長熱電偶使用壽命，要求使用者應(yīng)具備儀表方面的操作技能，以及物理、化學(xué)及材料等多方面知識(shí)。

關(guān)鍵詞：熱電偶；冷端溫度；誤差分析；

導(dǎo)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(cè)量溫度，與熱電阻相比，熱電偶結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，使用條件苛刻。

一、熱電偶的測(cè)溫基本原理

溫度測(cè)量的方式一般分為接觸式測(cè)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(guān)系的物質(zhì)來進(jìn)行間接的測(cè)量獲取。

從溫度測(cè)量的方式來看，熱電偶屬于接觸式測(cè)溫，熱電偶測(cè)溫元件進(jìn)行溫度測(cè)量的基本原理是元件材料的熱電效應(yīng)，具體來說，就是將電子密度不同的兩種金屬導(dǎo)體首尾相接組成閉合回路，當(dāng)回路兩端的溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，形成熱電流，這樣就可將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)以便于測(cè)量。利用熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量具有準(zhǔn)確度較高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)，同時(shí)熱電偶測(cè)溫范圍相對(duì)較廣，信號(hào)可以遠(yuǎn)距離傳送，這也使熱電偶測(cè)溫裝置能夠好更好地實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測(cè)以及自動(dòng)控制。然而熱電偶測(cè)溫元件的精度在實(shí)際的使用過程中會(huì)受到一系列因素的影響，結(jié)合熱電偶測(cè)溫的基本原理，并通過技術(shù)手段對(duì)熱電偶測(cè)溫誤差原因進(jìn)行分析，將能夠有效的控制測(cè)溫誤差的出現(xiàn)，提高熱電偶測(cè)溫的精度。

二、熱電偶溫度計(jì)量誤差分析

1.裝配誤差

1.1測(cè)溫點(diǎn)的選擇

熱電偶的安裝位置，即測(cè)溫點(diǎn)的選擇是最重要的，選擇測(cè)溫點(diǎn)時(shí)應(yīng)具有典型性、代表性，否則將失去測(cè)量與控制的意義。

1.2插入深度的控制

熱電偶插入被測(cè)場(chǎng)所時(shí)，沿著傳感器的長度方向?qū)a(chǎn)生熱流。當(dāng)環(huán)境溫度低時(shí)就會(huì)有熱損失，致使熱電偶與被測(cè)對(duì)象的溫度不一致而產(chǎn)生測(cè)溫誤差?？傊蔁醾鲗?dǎo)而引起的誤差，與插入深度有關(guān)。而插入深度又與保護(hù)管材質(zhì)有關(guān)。金屬保護(hù)管因其導(dǎo)熱性能好，其插入深度應(yīng)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(duì)于工程測(cè)溫，其插入深度還與測(cè)量對(duì)象靜止或流動(dòng)等狀態(tài)有關(guān)，如流動(dòng)的液體或高速氣流溫度的測(cè)量，就不受上述限制。

2.測(cè)量誤差

2.1參考端溫度沒有得到完全補(bǔ)償而引入的誤差

參考段溫度保持在0℃當(dāng)然最好，實(shí)際測(cè)溫時(shí)，參考端不可能是0℃，但是可以采用恒溫器、補(bǔ)償電橋或補(bǔ)償導(dǎo)線等方法來設(shè)法恒定在某一溫度下。

2.2補(bǔ)償導(dǎo)線使用不當(dāng)引入的誤差

使用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，一定要注意選擇與熱電偶相匹配的導(dǎo)線，一定要注意補(bǔ)償導(dǎo)線的正負(fù)極與熱電偶的正負(fù)極相連接。

2.3 測(cè)量儀表與測(cè)量電路電阻變化引起的誤差

測(cè)量儀表的精度等級(jí)高低是決定測(cè)量誤差大小的因素之一，儀表精度等級(jí)的選擇要從測(cè)溫所要求的準(zhǔn)確度和整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)的匹配問題，否則會(huì)引起測(cè)溫誤差。

3.動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差

接觸法測(cè)溫的基本原理是測(cè)溫元件要與被測(cè)對(duì)象達(dá)到熱平衡。因此，在測(cè)溫時(shí)需要保持一定時(shí)間，才能使兩者達(dá)到熱平衡。保持時(shí)間的長短同測(cè)溫元件的熱響應(yīng)時(shí)間有關(guān)，而熱響應(yīng)時(shí)間主要取決于傳感器的結(jié)構(gòu)及測(cè)量條件，差別極大。對(duì)于氣體介質(zhì)，尤其是靜止氣體，至少應(yīng)保持30秒鐘以上才能達(dá)到平衡；對(duì)于液體而言，最快也要在5秒鐘以上。

對(duì)于溫度不斷變化的被測(cè)場(chǎng)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(yīng)時(shí)間在毫秒級(jí)。最好選擇響應(yīng)快的傳感器。滯后時(shí)間不僅決定于熱電偶材料的導(dǎo)熱系數(shù)，熱偶接點(diǎn)的表面積、容積、熱容量，還決定于被測(cè)介質(zhì)的熱容量和導(dǎo)熱系數(shù)以及介質(zhì)（流體）本身的流動(dòng)情況。

熱電偶測(cè)溫時(shí)，與被測(cè)介質(zhì)之間的熱交換主要是對(duì)流傳熱，通過對(duì)流體傳熱使熱偶接點(diǎn)吸熱溫度升高。對(duì)流傳熱的大小決定于介質(zhì)溫度與熱偶接點(diǎn)溫度之差和熱偶接點(diǎn)與被測(cè)介質(zhì)接觸的面積大小，即：如果忽略熱偶接點(diǎn)溫度對(duì)周圍環(huán)境的輻射和沿?zé)犭娕紝?dǎo)線的導(dǎo)熱損失而產(chǎn)生放熱，則熱偶接點(diǎn)吸收的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)榻狱c(diǎn)的溫度變化。

式中T -T=ΔT稱為熱電偶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差，τ稱為滯后時(shí)間或時(shí)間常數(shù)，從上式中可以看出，熱電偶的時(shí)間常數(shù)τ不僅取決于熱偶接點(diǎn)材料性質(zhì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)（如熱偶接點(diǎn)的比熱容、密度、體積），還隨被測(cè)介質(zhì)工作狀況的不同而變化（如傳熱系數(shù)和熱偶接點(diǎn)被介質(zhì)包圍的面積）。故不同的工作狀況就有不同的τ值。如果被測(cè)溫度不是穩(wěn)定值，而是隨時(shí)間迅速變化，要能反映出某瞬時(shí)的真實(shí)溫度，這就要求熱電偶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要高，即時(shí)間常數(shù)要小。具體措施如下：

①減小熱偶接點(diǎn)體積。接點(diǎn)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(diǎn)與被測(cè)介質(zhì)接觸的表面積A。對(duì)于相同體積的接點(diǎn)，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(shí)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(cè)量誤差不僅和其自身的物理性能有關(guān)，還與其使用方法是否正確有關(guān)。

1.熱電偶應(yīng)選擇合適的安裝地點(diǎn)。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(chǎng)深度要適合，一般不應(yīng)小于200mm熱電偶保護(hù)管與爐壁之間的空隙，須用耐火泥堵塞，以免空氣對(duì)流影響測(cè)溫準(zhǔn)確性。

3.貴金屬熱電偶，不能在還原氣體中測(cè)溫。

4.在小直徑管道中安裝熱電偶時(shí)，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(shí)，熱電偶應(yīng)垂直管壁。

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

四、熱電偶誤差修正技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

熱電偶被用來測(cè)溫的時(shí)間較早，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，熱電偶誤差修正技術(shù)日臻成熟，測(cè)溫精度也已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)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(cè)溫修正技術(shù)也應(yīng)跟上其步伐。

1.軟件化

根據(jù)上文介紹，熱電偶節(jié)點(diǎn)與被測(cè)介質(zhì)、環(huán)境溫度之間存在輻射，熱電偶冷熱端之間存在熱傳導(dǎo)。這些由于輻射、熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的誤差很難用傳統(tǒng)的方法計(jì)算出來，一般都是估計(jì)或直接忽略，導(dǎo)致熱電偶測(cè)溫精度降低。隨著CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）技術(shù)的快速發(fā)展，其慢慢被應(yīng)用到熱電偶輻射、熱傳導(dǎo)的計(jì)算中，可以對(duì)上述誤差計(jì)算出較為準(zhǔn)確的數(shù)值，使得熱電偶測(cè)溫精度又上升了一個(gè)臺(tái)階。

2.自動(dòng)化

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，效率是衡量企業(yè)核心競(jìng)爭力的一個(gè)重要因素。這就要求企業(yè)設(shè)備更加簡單化、自動(dòng)化。對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)，溫度往往作為一個(gè)控制參數(shù)參與生產(chǎn)過程，這就需要熱電偶能快速的測(cè)出精確的溫度，以保證后續(xù)生產(chǎn)過程的順利進(jìn)行。這就需要一種新的熱電偶測(cè)溫誤差修正技術(shù)，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(quán)值，測(cè)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(cè)溫環(huán)境多種多樣。如果根據(jù)不同的測(cè)溫環(huán)境，生產(chǎn)相對(duì)應(yīng)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(cè)溫環(huán)境自動(dòng)變換測(cè)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(shù)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(jié)合當(dāng)下熱門的云計(jì)算、人工智能等技術(shù)，相信更加智能的熱電偶誤差修正技術(shù)能被較快的研究出來，使得熱電偶更加智能化，測(cè)溫更加精確。

結(jié)語

通過以上分析可以使我們對(duì)以熱電偶為感溫元件的溫度計(jì)量誤差情況有了系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，得出了對(duì)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(dāng)都可以引起測(cè)量誤差，還使我們了解到要想提高溫度測(cè)量的準(zhǔn)確應(yīng)從哪些方面考慮問題，這些都是對(duì)我們今后的溫度計(jì)量工作十分有益的。

參考文獻(xiàn)

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[2]吳萬奮.快速熱電偶測(cè)溫誤差綜述.中國測(cè)量技術(shù)，2016，（6）

（作者單位：襄陽市計(jì)量檢定測(cè)試所）