热电偶的测量误差及处理方案

热电偶的测量误差及处理方案

陈赛锋

浙江华业电力工程股份有限公司浙江省315800

摘要：热电偶是温度计量领域最常用的传感器之一，其具有结构时、动态响应快、测量范围广的优势，因此应用十分广泛。而在热电偶测量过程中，不断提高测量的精确度是保证测量数据可靠性的重要基础。但是在实际测量过程中，测量误差是客观存在的，而分析误差的原因并采取必要的修正措施，可最大程度上减少测量误差，提高测量的准确度。文章主要针对热电偶测量误差发生的原因及修正措施进行分析。

关键词：中间导体定律；寄生电势；修正值

1热电偶测量系统的组成及优势

根据热电偶热电效应，需要通过外接显示仪表才能将其输出的毫伏电压信号还原成温度信号，因此热电偶测量系统包括热电偶、连接导线、显示仪表等。传统的热电偶测量系统采用电子线路及元器件进行冷端补偿及线化性处理，测量结果误差较大，无法保证测量数据的精度及可靠性，故应用场合受到限制。而随着信息技术、计算机软件技术的不断发展，热电偶测量系统应用集成温度传感器及计算机软件进行冷端补偿及非线性处理技术也越来越成熟，因此不断扩大了热电偶测量的应用领域。具体而言，热电偶温度计的优势主要体现在以下几个方面：首先，热电偶系统中包括2种不同的金属丝，不受大小、开头的限制，结构简单及应用方便；其次，具有较高的测量精度高，直接接触受测对象，无中间介质的影响，高温区具有较好的复现性及稳定性；再次，测量显示电信号有利于信号的传输与记录，便于集中检测及控制；最后，热电偶体积小，热容量及热惯性较小，故既可测量动态温度数据，还可测量点的温度及壁面温度。

2热电偶劣化与使用寿命

2.1热电偶的劣化

热电偶的使用寿命与其劣化有关，所谓热电偶的劣化，即热电偶经使用后，出现老化变质的现象。由金属或合金构成的热电偶，在高温下其内部晶粒要逐渐长大。同时合金中含有少量杂质，其位置或形状也将发生变化，而且，对周围环境中的还原或氧化性气体也要发生反应。伴随上述变化，热电偶的热电动势也将极其敏感的发生变化。因此热电偶的劣化现象是不可避免的。

2.2热电偶的使用寿命

热电偶的劣化是一个量变过程，对其定量很困难，将随热电偶的种类、直径、使用温度、气氛、时间的不同而变化。热电偶的使用寿命是指热电偶劣化发展到超过允许误差，甚至断线不能使用的时间。

铠装热电偶的使用寿命:由于铠装热电偶有套管保护与外界环境隔绝，因此套管材质对铠装热电偶的寿命影响很大，必须根据用途选择热电偶丝及金属套管。当材质选定后，其寿命有随着铠装热电偶直径的增大而增加。铠装热电偶同装配式热电偶相比，虽有许多优点，但使用寿命往往低于装配式热电偶。

3热电偶测量误差原因及修正

具体而言，在热电偶温度计应用过程中，其测量误差主要来自于以下几个方面：

（一）热电偶自身原因

热电偶自身的原因导致测量误差主要表现在以下几个方面：首先，热电偶不同结构的动态响应。偶丝的粗细、保护管直径的大小均会直接影响到热电偶动态响应时间，因此要选择较细的偶丝及较小的保护管，测量元件热端的体积减少，热端吸收的热容量也会随之下降；并且在满足设计强度的前提下尽量选择比热小、导热好的套管材料，在测量端与套管之间填充导热材料，或直接裸露测量材料，也可将其直接连接至套管等，将热端测量传递中的热用量降至最低。

其次，热电偶不均匀性的影响。如热电偶由均质导体制成，其与两端的温度有直接相关性；如热电极材料不均匀，则会产生一个附加热电势，即不均匀电势，不均匀电势大小是由沿热电极长度的温度梯度分布状态所决定的，包括材料的不均匀形式与不均匀程度。不均匀电势引起的附加误差最大者可达到3度，对热电偶的稳定性、互换性产生严重影响。一般情况下新制的热电偶即使是不均质，热电动势也可满足要求；但是如果反复加工则会使热电偶产生加工畸变，热电偶的均质性受到影响，热电偶长期在高温环境下工作，偶丝劣化，热电动势也会发生变化。

最后，绝缘误差。热电偶测量系统是两种不同的导体材料组成的闭合回路，其会由于两端点温度差异而产生热电动势及电流，确定温度与热电动势之间的关系后即可测量温度；如保护管或接线板污垢或盐渣过多会使热电偶极间与保护管绝缘不良，特别是温度越高其影响就越大，从而引起热电势的损耗，加大热电偶测量误差。针对热电偶绝缘导致的误差可在热电偶与保护管之间采用物理隔离的方法，比如填充绝缘物，保护管对热电偶热电动势的影响即会被阻断；保护管内壁要采用高压清洗，将杂质、污垢导致的绝缘不良降至最低；此外，接线板处要保证良好密封，且工作环境要保持清洁、卫生，减少外部环境导致的氧化物，降低其对热电偶电动势的影响。

（二）装配误差

热电偶的安装位置非常重要，因此选择测量点时要注意其典型性、代表性，通常热电偶的保所套管末端要越过流速中心线。而热电偶装配过程中插入深度控制的合理性是减少热电偶装配误差的重要措施。热电偶插入被测场所后传感器长度方向会产生热流，而热损失会随着环境温度的下降而增加，被测对象与热电偶存在温差则导致测量误差。并且插入深度会受保护管材质的影响，一般而言金属保护管具有较好的导热性能，插入深度在直径的15-20倍；陶瓷材料绝热性能好，可插入直径的10-15倍；实际工程测量过程中，插入深度控制还要考虑测量对象是否静止或流动，当然具体数值由实验确定。

（三）外部环境对测量元件的影响产生的误差

首先，一般情况下测量元件所处外在条件比较恶劣，加之长期使用元件会出现老化，而热电偶电极也会出现腐蚀、氧化或晶格不均匀等问题，受其影响热电偶的热电特性也会发生变化，超出特定范围则会对温度计量结果的精确性产生影响。针对这种情况可采取措施保护好热电偶接线盒，接线盒的出线口、盖子均由橡胶垫片密封好，缓解腐蚀，减少环境对氧化环境对测量元件的影响。其次，测量元件由于保护管外表附着尘埃、氧化物、煤灰等，增加保护管的测热阻值，热的传导也会受到阻碍，导致反应滞后，此时测量元件的温度计量结果就会产生误差，因此要保持受测元件保护管外部的清洁，减少误差影响。最后，高频磁场的影响。热电偶材料多要用合金材料，其具有一定的导电率，如热电偶应用于高频磁场区域，则热电偶端部会产生较小的涡流耗损，虽然其值较小，但是由于热电偶端部面积也不大，故耗损密度也会随之增加，端部温度上升直接影响到热电偶的测量精度。针对这种情况，在电磁场频率较高的情况下，可采用低电阻率的金属材料，其所产生的涡流可抵消外来磁波，降低高频磁的影响；在电磁场频率较低的情况下，可应用高层磁率材料组成屏蔽体，以限制磁力限向屏蔽空间限制等。

4结语

总之，热电偶温度计在工作过程中会受自身原因、装配误差、外部环境等因素的影响，有一些是由于在加工制造过程中造成的，有些是测量系统及仪器本身即存在误差，还有一些则是人为造成的，其测量误差不可避免，但在实际测量中准确分析测量误差的发生原因，并针对原因提出科学的解决策略，积极采取有效的补偿措施，将以提高温度计量的准确性，不仅可以将测量误差降至最低，且热电偶的使用寿命也会有所延长，降低测量成本。

参考文献

[1]陈学利,张东风.热电偶的测量误差分析及修正方法[J].科技信息,2016.11

[2]孙国华.热电偶的测量误差分析及解决方案[J].考试周刊,2015.35