熱電偶測量誤差分析

周殿廣，樊鮮美，陳琪，謝水平，王子榮，唐文榮

（中車株洲車輛有限公司，湖南 株洲 412003）

0 引言

熱電效應(yīng)理論得到了不斷的發(fā)展，并日趨完善。熱電偶是熱電效應(yīng)的具體應(yīng)用之一，它廣泛地應(yīng)用于溫度的測量與控制，可以在-200～2300℃溫度內(nèi)進(jìn)行測量，具有性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，它雖然結(jié)構(gòu)簡單但在安裝使用時(shí)必須遵循相應(yīng)的技術(shù)規(guī)定，否則，會(huì)引起較大的測量誤差，造成測溫不準(zhǔn)，降低熱電偶使用壽命[1]。我公司臺(tái)車車間熱處理爐就是使用熱電偶進(jìn)行測溫，測溫準(zhǔn)確度對產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要，對操作人員、拆裝人員、維保人員和相關(guān)技術(shù)人員來說，了解影響熱電偶測溫不準(zhǔn)確的各種因素是非常必要的。因此，本文對熱電偶的工作原理、影響熱電偶測量誤差的主要因素及安裝注意事項(xiàng)進(jìn)行了簡單介紹，希望能對相關(guān)人員有所幫助，對提高公司產(chǎn)品質(zhì)量起到作用。

1 熱電偶工作原理

1.1 塞貝克效應(yīng)

在1821年，塞貝克發(fā)現(xiàn)，用兩種不同材質(zhì)的金屬兩端彼此相聯(lián)，組成一個(gè)閉合的回路（如圖1），通過對一連接端加熱時(shí)，由于兩連接端產(chǎn)生了溫度差，這時(shí)回路就會(huì)產(chǎn)生電流，這一現(xiàn)象稱為溫差電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢稱為溫差熱電動(dòng)勢或塞貝克電動(dòng)勢。

1.2 珀?duì)柼?yīng)

在1834年，珀?duì)柼l(fā)現(xiàn)，當(dāng)用外部直流電源向熱電偶回路輸送電流時(shí)，兩接點(diǎn)處的溫度就會(huì)發(fā)生變化，一個(gè)接點(diǎn)吸熱，另一個(gè)接點(diǎn)放熱，這一現(xiàn)象稱為珀?duì)柼?yīng)。

如圖2所示，這種由于兩種導(dǎo)體自由電子密度不同而在接觸處形成的熱電動(dòng)勢稱為珀?duì)柼妱荨?/p>

1.3 湯姆遜效應(yīng)

1851年，英國物理學(xué)家湯姆遜在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)“在同一金屬材料中，隨著電流的方向不同（從金屬熱端到冷端或從金屬冷端到熱端），所產(chǎn)生的熱效應(yīng)也不同?！边@一效應(yīng)稱為湯姆遜效應(yīng)。如圖3，在一根均質(zhì)的導(dǎo)體上，如果存在溫度梯度，那么也會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢，稱為湯姆遜電勢。

由此可見，熱電偶的工作原理是由于兩種不同材質(zhì)的金屬相互連接構(gòu)成閉合回路，而連接的兩端存在溫度差異，從而在閉合回路中產(chǎn)生熱電勢，所產(chǎn)生的熱電勢與溫度差成比例關(guān)系，通過對熱電勢的測量可計(jì)算出溫度差，一端溫度恒定，從而得出被測量介質(zhì)的溫度[2]。

3 測量誤差的主要來源

3.1 插入深度的影響

由熱電偶工作原理可知，其測溫時(shí)，因連接的兩端存在溫度差，從而在閉合回路中產(chǎn)生熱電勢，在其縱向方向會(huì)產(chǎn)生熱流，當(dāng)兩端的溫差較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱損耗，將導(dǎo)致熱電偶測量溫度比實(shí)際被測溫度偏低，產(chǎn)生測量誤差。因熱損耗引起的測量誤差，與熱電偶的插入深度、熱電偶保護(hù)管材質(zhì)、被測對象狀態(tài)緊密相關(guān)，為了減少熱損耗帶來的誤差，若金屬保護(hù)管由于其絕熱性能差而導(dǎo)熱性能好，可插入深一些（一般為保護(hù)管直徑的15～20倍）；若非金屬保護(hù)管，由于其導(dǎo)熱性能差而絕熱性能好，則可插入淺一些（一般為保護(hù)管直徑的10～15倍）；被測對象為流動(dòng)的液體或高速氣流，其溫度測量則可插入淺一些，具體數(shù)值可根據(jù)實(shí)際測量試驗(yàn)來確定，以準(zhǔn)確度最高為宜。

3.2 響應(yīng)時(shí)間的影響

熱電偶的熱響應(yīng)時(shí)間常數(shù)是指當(dāng)被測介質(zhì)溫度發(fā)生變化時(shí)，熱電偶所測溫度達(dá)到被測介質(zhì)實(shí)際溫度的63.2% 所需的時(shí)間。實(shí)踐證明，時(shí)間常數(shù)越小，則熱惰性小、動(dòng)態(tài)誤差小、響應(yīng)速度快。實(shí)際測量時(shí)，為了讓測量的溫度接近被測溫度，則需要保持一定時(shí)間，使得測溫?zé)犭娕寂c被測的對象溫度達(dá)到熱平衡后，才能正式讀取或采集溫度值。熱響應(yīng)時(shí)間是表示熱電偶響應(yīng)快慢的一個(gè)特性參數(shù)，它主要取決于熱電偶的結(jié)構(gòu)、尺寸、材料及測量條件。若被測介質(zhì)為靜止氣體，由20℃達(dá)到400℃時(shí)的測量，一般需要保持15min左右溫度才能達(dá)到平衡；若被測介質(zhì)為液體，一般需要保持5min以上溫度才能達(dá)到平衡[3]。

熱電偶測溫響應(yīng)時(shí)間與熱電偶的測量端直徑有關(guān)，熱電偶偶絲越細(xì)，則其直徑越小，響應(yīng)時(shí)間就越短。如果測溫環(huán)境允許，也可不加保護(hù)管。

3.3 絕緣電阻的影響

鎧裝熱電偶測溫時(shí)，由于氧化物的電阻率在高溫下與溫度成反比，而電阻率與電阻是成正比，因此溫度越高氧化物的電阻率會(huì)越低，則熱電偶的絕緣電阻也越低，因是并聯(lián)關(guān)系越容易產(chǎn)生分流，產(chǎn)生測量誤差，這是熱電偶絕緣電阻分流造成的誤差，稱為分流誤差。由于鎧裝熱電偶的絕緣物是粉末狀氧化鎂，當(dāng)中間部位溫度較高時(shí)有漏電流產(chǎn)生，應(yīng)加大鎧裝熱電偶的直徑，增加絕緣體厚度，以減少絕緣電阻帶來的誤差，否則選擇普通型熱電偶。

3.4 熱輻射的影響

熱電偶用于加溫爐測溫時(shí)，爐內(nèi)高溫物體發(fā)出的熱輻射會(huì)對熱電偶加熱，當(dāng)熱電偶與加溫爐爐壁的溫度差比較高時(shí)，由于熱交換，會(huì)使熱電偶的測量產(chǎn)生誤差，為了減少熱輻射對測量產(chǎn)生的影響，一般采取加大熱傳導(dǎo)和加強(qiáng)氣體的對流，使熱電偶的溫度與加熱爐爐壁的溫度盡量接近，在熱電偶安裝時(shí)，盡量遠(yuǎn)離可能產(chǎn)生熱輻射的固體物質(zhì)，對熱電偶可采取加裝熱輻射屏蔽罩等方式進(jìn)行屏蔽[4]。

3.5 熱電阻的影響

熱電偶長期使用，其保護(hù)套管處表面會(huì)附著灰塵和氧化物，在高溫時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱電阻，由于電阻的增大，不僅會(huì)增加熱電偶的響應(yīng)時(shí)間，還會(huì)造成示值溫度偏低，對水平安裝的熱電偶產(chǎn)生的影響更加明顯。因此，除了定期檢定外還應(yīng)定期檢查并清理，以保持熱電偶保護(hù)管外部的清潔。

3.6 補(bǔ)償導(dǎo)線的影響

必須正確選擇熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線并按規(guī)定要求使用，否則會(huì)帶來誤差，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的選擇應(yīng)與熱電偶分度號一致，在同一溫度環(huán)境并在規(guī)定的使用溫度（普通補(bǔ)償導(dǎo)線小于100℃，耐熱型補(bǔ)償導(dǎo)線小于200℃）下使用，補(bǔ)償導(dǎo)線的正負(fù)極和電熱偶的正負(fù)極要一一對應(yīng)，切勿將其極性接反，補(bǔ)償導(dǎo)線極性接錯(cuò)時(shí)，不僅不能起到參考端補(bǔ)償作用，相反會(huì)產(chǎn)生更大的誤差，這種誤差是不進(jìn)行參考端補(bǔ)償所產(chǎn)生誤差的 兩倍。

3.7 不均勻熱電勢的影響

當(dāng)熱電偶處于溫度梯度的溫場中，而熱電極材料是不均勻的，則在熱電偶回路里便會(huì)產(chǎn)生附加電勢（稱為湯姆遜電勢），這種附加電勢也稱為不均勻電勢，它會(huì)改變熱電偶的熱電特性，產(chǎn)生測量誤差。

產(chǎn)生熱電偶不均勻熱電勢的因素主要有：

①熱電極材質(zhì)本身不均勻；

②加工時(shí)造成的不均勻；

③用過程中的局部拉伸、彎曲變形造成的不均勻；

④在高溫使用過程中，被測介質(zhì)、絕緣材料等對熱電偶的局部玷污、滲透、腐蝕或晶格結(jié)構(gòu)的改變，造成的不均勻。

3.8 干擾引起的誤差

當(dāng)溫度高時(shí)，加熱爐的耐熱保溫層和熱電偶的絕緣材料的絕緣性能會(huì)降低，使其具有了一定的導(dǎo)電性能，這時(shí)加熱電源會(huì)經(jīng)其泄露到熱電偶電極上，產(chǎn)生漏電干擾；若熱電偶周圍安裝有大功率電動(dòng)設(shè)備、變壓器、動(dòng)力電源線纜時(shí)，由于電流大、電壓高，在其周圍會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場、電場或較大的地電流，從而在熱電偶測量回路中產(chǎn)生干擾電動(dòng)勢，對測量結(jié)果帶來測量誤差，甚至?xí)斐蓽y量結(jié)果的嚴(yán)重失真。

干擾通常分為線間干擾和對地干擾，可采用老式晶體管電壓表來測量，線間干擾電壓一般可達(dá)到幾毫伏到幾十毫伏，而對地干擾則可達(dá)到幾伏到一百伏。因此，熱電偶在選擇、安裝、使用時(shí)要特別注意，避免漏電、磁場、電場、地電流等帶來的干擾，保證測量結(jié)果的真實(shí)可靠性[5]。

4 熱電偶安裝

4.1 安裝位置

根據(jù)生產(chǎn)工藝對溫度的測量與控制要求，使用熱電偶來實(shí)現(xiàn)對溫度的測量與控制，其測溫點(diǎn)的選擇必須能真實(shí)準(zhǔn)確反映該工藝參數(shù)，通常應(yīng)從以下幾點(diǎn)來確定：

①測溫點(diǎn)要選擇生產(chǎn)產(chǎn)品加溫的位置且在溫度比較均勻、與被測介質(zhì)要能接觸充分的地方，測量流動(dòng)介質(zhì)溫度時(shí)，測溫點(diǎn)應(yīng)選在介質(zhì)正常流動(dòng)的區(qū)域，測量固體溫度時(shí)，測溫點(diǎn)應(yīng)選在被測物體表面且接觸緊密。對測溫點(diǎn)周圍的溫度盡可能控制其變化，以減小導(dǎo)熱帶來的誤差。

②熱電偶的安裝位置要遠(yuǎn)離加熱源或爐門。

③其周圍不應(yīng)有強(qiáng)電磁場、各種電源及動(dòng)力線纜等，如若不能避開，應(yīng)采取加裝屏蔽罩等防護(hù)措施，避免電磁場等因素干擾，減少測量誤差。

④熱電偶冷端通常應(yīng)控制在100℃以下，常溫為最佳。

4.2 安裝方式

熱電偶安裝方式通常有水平安裝、垂直安裝和傾斜安裝三種。

①水平安裝，因灰塵、氧化物等雜質(zhì)容易積聚在熱電偶保護(hù)套管表面，使用時(shí)，一般情況不會(huì)經(jīng)常進(jìn)行清理，則不僅會(huì)影響測量響應(yīng)時(shí)間，還會(huì)使測量結(jié)果偏小，動(dòng)態(tài)性能下降。

②垂直安裝，可最大限度減少灰塵、氧化物等雜質(zhì)的積聚，避免外來因素的干擾，最大限度提高其測量精度和動(dòng)態(tài)性能，是熱電偶測溫首選的安裝方式。

③傾斜安裝，在測量管道中流體溫度時(shí)常用，一般采用45°角安裝為最佳。

熱電偶用于加熱爐測溫時(shí)，其與安裝孔間存在的空隙，必須使用石棉繩或耐火泥等絕熱材料密封，以減少爐膛內(nèi)、外空氣對流產(chǎn)生的誤差，從而提高測量精度。

5 結(jié)語

公司臺(tái)車構(gòu)架車間熱處理爐爐溫測量時(shí)使用四根熱電偶測量，其長度700mm，水平安裝。根據(jù)上述的分析，目前存在的問題：①插入深度沒有限制裝置，有隨意性；②水平安裝，未對維護(hù)保養(yǎng)進(jìn)行明確規(guī)定，沒有定期進(jìn)行清理；③熱電偶保護(hù)套管和爐壁孔間的空隙未用石棉繩或耐火泥等絕熱材料密封。建議設(shè)置插入深度限制裝置，由于采用金屬保護(hù)管，直徑φ20 mm，其最佳插入深度應(yīng)為300～400mm，限制裝置的設(shè)置應(yīng)根據(jù)爐子壁厚、彈簧托板放置位置，插入深度選擇合適的熱電偶長度和限制位置，盡量滿足300～400mm的要求；明確維護(hù)保養(yǎng)要求進(jìn)行定期清理，因不能垂直安裝，或改為傾斜45°安裝；保護(hù)套管和爐壁孔間的空隙采用石棉繩或耐火泥等絕熱材料對其加以密封，以提高爐溫的測量精度，保證爐溫測量的準(zhǔn)確可靠，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。