熱電偶溫度計誤差原因及處理措施分析

孫兆芹

濟南市第二計量檢定測試院 山東濟南 250000

熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)中應用廣泛的感溫測溫元件之一，較之于其他的溫度傳感器而言，熱電偶溫度計結(jié)構(gòu)更加簡單、操作方法更加簡便、測溫原理更加精準并且造價較為低廉，這也是促進熱電偶在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用的主要原因。然而，從熱電偶實際的使用情況來看，還存在著許多影響熱電偶測溫精度的要素。如熱電偶熱電特性不穩(wěn)定、熱電偶不均勻性、熱輻射的干擾等。這些問題的存在嚴重破壞了熱電偶的測溫性能，分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因并及時地制定出切實可行的應對策略很有必要。

1 熱電偶的測溫原理概述

從熱電偶的組成結(jié)構(gòu)來看，熱電偶主要由感溫元件和外部保護裝置兩部分組成。其中，熱電偶的感溫元件是由兩種材質(zhì)不同的導體或半導體組成的。這兩種材料通過焊接以后會形成一個閉合回路。由于組成感溫元件的材質(zhì)不同，當自由電子在兩種材料中擴散達到均衡之后，會形成相應的電動勢。一旦兩種材料的焊接點之間出現(xiàn)溫差（溫度梯度）時，形成的電動勢就會在整個閉合回路中產(chǎn)生電流[1]。通常，也把這種現(xiàn)象稱為“熱電效應”。利用電氣儀表能夠?qū)⒏袦卦a(chǎn)生的電流信號轉(zhuǎn)換為被測介質(zhì)的溫度。這就是熱電偶測量溫度的原理。

2 熱電偶技術(shù)優(yōu)勢

熱電偶作為最常見的工業(yè)測溫裝置，之所以能夠廣泛地應用到工業(yè)生產(chǎn)中的多個領(lǐng)域，與熱電偶自身具備的諸多技術(shù)優(yōu)勢直接相關(guān)。具體而言，熱電偶測溫裝置的技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在如下幾個方面：第一，熱電偶測溫裝置的測量范圍很寬，通常的測定范圍可以達到-40-1600℃，整體性更加穩(wěn)定。第二，熱電偶測溫的精確度很高，由于熱電偶的測溫點是直接與待測部位直接接觸，因而不會受到中間介質(zhì)的干擾。第三，熱電偶測溫靈敏性很高，響應時間較短，對溫度的變化十分靈活。第四，熱電偶組成結(jié)構(gòu)較為簡單，操作方法簡易，機械強度高，使用壽命更長，安全性能高[2]。

3 電偶測溫誤差分析及其處理措施

根據(jù)實際生產(chǎn)過程中熱電偶測溫的應用情況來看，引起熱電偶測溫誤差的主要原因大體上來自于以下幾個方面，即：安裝與傳熱原因引起的測溫誤差、熱電偶熱電性能不穩(wěn)定引起的測溫誤差、熱電偶參考端溫度引起的測溫誤差。

3.1 安裝與傳熱原因引起的測溫誤差

熱輻射引起的測溫誤差及處理措施。熱電偶的測量端會和外界環(huán)境以熱輻射的形式換熱，導致對流換熱難以達到熱平衡，這是引起熱輻射測溫誤差的主要原因。降低熱輻射測溫誤差的常用方法是削弱輻射換熱或者加劇對流換熱。一般是在管內(nèi)壁上敷設(shè)絕緣層或在測量端外部加一個屏蔽罩，目的是減小管內(nèi)壁與熱電偶測量端之間的溫差，從而削弱二者之間的輻射熱。也可以通過加大流體的流動速度來提高其放熱系數(shù)，或是減小熱電偶絲直徑，利用熱電偶的熱電極和氣流之間形成的跨流加劇對流傳熱。

熱傳導引起的測溫誤差及處理措施。測量高溫區(qū)段時，由于沿著熱電偶絲會存在溫度梯度，所以會導致熱電偶的測量端沿著熱電極導熱，致使測量端的實測溫度會與待測部位的實際溫度產(chǎn)生偏差。使用經(jīng)驗表明，導熱量差得越多，測量溫度值與實際溫度值之間的誤差就越大。在降低熱傳導引起的測溫誤差上，慣用的處理措施是削弱熱傳導或者加劇對流傳熱?？梢赃m當?shù)卦黾訜犭娕冀z的長徑比，或者改變熱電偶的安裝方式，即將熱電偶從原來的垂直安裝改為傾斜安裝，或者直接將其安裝在彎頭部位[3]。

3.2 熱電偶熱電性能不穩(wěn)定引起的測溫誤差

（1）污穢與應力。污穢與應力主要是來源于熱電偶的加工制作過程。熱電偶絲在加工制作過程中常常會在其表面沾染附著一些污穢物質(zhì)。與此同時，熱電偶絲在拉伸過程中也一定會在其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生不均勻應力，如果退火處理質(zhì)量不達標，則仍舊不能夠消除其應力誤差，且應力誤差通常在十分之幾度到幾度不等。對于市場上售賣的一些廉金屬制成的熱電偶絲，很多都是在退火后就直接交付使用。只有在退火時保證退火溫度高于使用溫度上限，且插入深度大于使用深度，才能避免計量誤差。

（2）不均勻性。對于用均質(zhì)金屬導體材料制成的熱電偶絲而言，其熱電勢主要取決于熱電偶絲兩端。對于采用非均質(zhì)金屬導體材料制成的熱電偶絲而言，材料本身的不均勻性會影響到熱電極長度的溫度梯度分布，進而影響到不均勻電勢的大小。實踐表明，由于不均勻電勢引起的熱電偶溫度測量誤差將會達到30℃左右。降低或消除熱電偶絲不均性帶來的測量誤差，應當在制作熱電偶絲時就選用均質(zhì)導體，并且在使用前要加以檢驗。

3.3 熱電偶參考端溫度引起的測溫誤差

由于熱電偶參考端的溫度在測溫過程中并不是恒為0℃，因而會造成測量誤差。針對參考端溫度變化的問題，采用以下解決措施。

（1）補正熱電動勢。根據(jù)中間溫度定律，先在常溫條件下測出熱電偶參比端溫度，再從分度表中查出其對應的熱電動勢E，將其與實測值求和后，可以得到對應測量端溫度為t時的熱電動勢，隨后可以從分度表中查得對應溫度，即為實際溫度。隨著計算機技術(shù)的普及，整個補正過程可以用計算機完成。

（2）調(diào)整起始點。如果測量線路是開路狀態(tài)，可以將熱電偶指針從“0”位調(diào)整到，相當于為其預先增加一個電動勢。如果測量線路是閉合狀態(tài)，熱電偶的輸出電動勢會疊加，其和就是實際溫度值。

綜上所述，熱電偶使用過程中，其測溫的精確度會受到內(nèi)部和外部多方面原因的干擾。為此，需要正確分析造成測溫誤差的原因，并基于這些原因，采取相應的有效措施。