熱電偶溫度計量的誤差原因及處置技術(shù)研究

劉濤

中國特種飛行器研究所試驗與計量中心 湖北荊門 448000

溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些其他物理特征來間接表述，不能直接測量。測溫的方式可以分為接觸式測量和非接觸式測量。非接觸式測量指的是測量過程中，傳感器不與被測物體直接接觸，而是利用物體的輻射能量隨溫度的變化情況來檢測。接觸式測量指的是傳感器與被測量物體直接接觸，感受到物體的溫度變化。

1 熱電效應(yīng)

受熱物體中的電子，會隨溫度梯度從高溫區(qū)向低溫區(qū)移動，進而產(chǎn)生電流或電荷堆積，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶基于的原理就是熱電效應(yīng)。熱電偶的兩個連接點中，其中一點置于溫度場中用來測量溫度，此為熱端，另一端為參考端，稱為冷端。冷端與測量儀表相連。如果熱端和冷端存在溫差，測量儀表就可以測量出熱端被測介質(zhì)的溫度。熱電勢的大小是隨著溫度變化而變化的。當構(gòu)成熱電偶的材料均勻時，熱電勢的大小僅和材料的成分，以及冷端熱端的溫差有關(guān)。與熱電偶電極的幾何尺寸無關(guān)。測量中通常要求冷端溫度恒定，此時熱電勢是被測溫度T的單值函數(shù)。

2 技術(shù)優(yōu)勢

熱電偶作為溫度測量裝置，可以廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)，因此，它與自己擁有的多種技術(shù)優(yōu)勢有著密不可分的關(guān)系。熱電偶的技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面:一是該設(shè)備本身具有很寬的測量范圍，整體性能相對穩(wěn)定。二是熱電偶在溫度測量上準確度高。在溫度測量過程中，設(shè)備與被測量對象直接接觸，因此不受中間介質(zhì)的影響。第三，熱電偶熱響應(yīng)時間比較快，對溫度變化反應(yīng)非常靈活。第四，熱電偶可以在-40℃到+1600℃的區(qū)間范圍內(nèi)進行連續(xù)溫度測量。第五，熱電偶結(jié)構(gòu)簡單，機械強度高，壽命長，安全可靠[1]。

3 計量誤差產(chǎn)生原因

（1）安裝、傳熱，因為熱電偶在使用時，會被直接插入到被測介質(zhì)之中，所以其安裝合理性以及傳熱性能等，均會對溫度測量結(jié)果精準性產(chǎn)生直接影響。當兩者溫度存在明顯差異時，便會產(chǎn)生計量誤差。

（2）熱電動勢，作為熱電偶重要組成，熱電極加工所選用材料，和熱電動勢大小有著極為緊密的聯(lián)系。在運用熱電偶實施溫度測量時，參考端會處于不斷變化的狀態(tài)，并不會始終保持在同一數(shù)值，所以在運用儀表展開溫度數(shù)值測量過程中，很容易會產(chǎn)生誤差。

（3）動態(tài)響應(yīng)，動態(tài)響應(yīng)問題指的是，在熱電偶進入到被測介質(zhì)之后，指示響應(yīng)時間過長，嚴重超出標準時間的狀況。在實施測量過程中，如果無法保持熱電偶和被測物質(zhì)溫度變化的同步，便會引發(fā)動態(tài)響應(yīng)問題，會造成測量數(shù)值出現(xiàn)嚴重偏差[2]。

4 熱電偶熱電勢的組成

（1）兩導(dǎo)體的接觸電勢，兩導(dǎo)體的密度不一樣時，這兩種導(dǎo)體之間就會互相擴散自由電子，當然，密度大的向密度小的擴散的自由電子比密度小的向密度大的擴散的自由電子數(shù)多。所以，最后相當于密度大的失去電子，所以就帶正電，密度小的得到電子，所以就帶負電。因此就在兩種導(dǎo)體接觸點的位置上產(chǎn)生電動勢，因為這個電勢在兩導(dǎo)體的接觸點處，把它叫做兩導(dǎo)體的接觸電勢。記為EA（BT）。E為電動勢，A，B為熱電偶的兩個電極，T為結(jié)點處的溫度。A為高電位，B為低電位。如果導(dǎo)體的密度存在一定的差異時，就會在兩導(dǎo)體相接觸的地方形成兩導(dǎo)體的接觸電勢。兩導(dǎo)體的接觸電勢的數(shù)值與兩導(dǎo)體接觸點處的溫度高低有關(guān)，溫度越高兩導(dǎo)體的接觸電勢就越大，規(guī)定低電位指向高電位的方向是接觸電動勢的方向。由于測溫熱電偶的回路中有兩個相接觸的點就會在兩個接觸點處形成電勢，所以測溫熱電偶的回路中存在兩個接觸電勢。

（2）單一導(dǎo)體的溫差電勢，當導(dǎo)體兩端的溫度不同時，假設(shè)T大于T0。單一導(dǎo)體熱度高的與熱度低的之間就會存在互相擴散電子的現(xiàn)象。當然，溫度高的擴散的多，溫度低的擴散的少。最終導(dǎo)致熱度高的端逸失了一些電子，所以熱度高的就帶正電，熱度低的端就得到了一些電子，所以熱度低的端就帶負電。這樣就在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生了溫差電勢。當導(dǎo)體的兩個端部存有熱度差值的時候，就會在單一導(dǎo)體的兩頭形成溫差電動勢。單一導(dǎo)體的溫差電勢的大小和該導(dǎo)體的密度之間有一定的關(guān)系，單一導(dǎo)體的溫差電勢的方向：規(guī)定是從低溫端指向高溫端。由于測溫熱電偶閉合回路中含有兩種不一樣的導(dǎo)體，所以測溫熱電偶回路中就存在兩個溫差電勢[3]。

5 補償導(dǎo)線使用時注意的問題

使用熱電偶測量和驗證熱處理設(shè)備，確保部件或原材料的熱處理符合相關(guān)熱處理工藝規(guī)范，合理選擇，正確安裝熱電偶，根據(jù)實際情況采取必要的溫度補償措施，減少誤差，提高準確度，確保檢測到的溫度正確，有效防止熱電偶損壞，節(jié)約系統(tǒng)運行成本，保證溫度測量質(zhì)量。各種補償導(dǎo)線只能與該模型的熱電偶一起使用。校正電線和熱電偶的熱電特性超過了規(guī)定的溫度范圍，可能會發(fā)生測量誤差。補償導(dǎo)線與熱電偶材料的熱電特性不完全相同，因此兩種連接的兩個觸點溫度必須相同，否則引入測量誤差。為了方便安裝，可以選擇多種補償接線，也可以根據(jù)需要選擇包含防水、防腐、防火、屏蔽的補償接線。

6 結(jié)語

熱電偶在使用中受多種因素的影響，經(jīng)常發(fā)生測量誤差，這大大降低了溫度測量結(jié)果的準確度。為此，必須分析測量誤差的主要原因，采取解決誤差問題的合理可行的方法和技術(shù)措施，將出錯的可能性降到最低，提高熱電偶測溫結(jié)果的準確性。