热电偶测温原理及误差分析

热电偶测温原理及误差分析

高翔

国网新疆电力有限公司电力科学研究院新疆乌鲁木齐830000

摘要：温度是一个重要的物理量，许多物理现象和化学性质都与温度有关，许多生产过程均在一定温度范围内进行，所以在国民经济各个领域中，必然会遇到有温度测量的问题。而热电偶具有结构简单，制造容易，量方便等优点，在温度测量中得到广泛地应用。它基于物体的热电效应，将温度信号转换成电压信号进行传递，这种测温方式不仅可以远距离传递，而且能够集中检测和控制。但要得到正确的测量结果，必须认识热电偶的性能和使用方法，否则将会带来很大的误差。

关键词：热电偶测温；原理及误差

温度是工业生产过程中最重要的检测参数之一.热电偶作为一种最简单、最普通的温度传感器，以其测温范围广，从-200～+1600℃，甚至高达2800℃，能将温度信号转换成电压信号，实现远传的特性，为其他温度传感器所无法替代.由于热电偶测温系统结构复杂，使用中还需注意冷端补偿和线性化处理，随着计算机和现代测试技术的发展，利用计算机软件对热电偶进行冷端补偿和线性化处理逐渐走上主导地位.尽管热电偶测温系统在设计时已采用了各种办法来降低误差，但实际工作中，由于热电偶长期所处工作环境恶劣，若在使用中不注意其应用定则，或安装不正确，极有可能给测量带来很大误差或故障，导致系统工作紊乱，造成产品质量、设备安全事故。

1.测量误差剖析及处理对策

1.1热电偶本身产生的误差

（1）热电偶热容量变化.案例1：某厂退火炉的温度检测系统正常运行一段时间后，发现该被测温度的显示值总是滞后于炉膛的温度变化，经检查，是热电偶保护管结垢所致.分析：热电偶的接触法测温，要求与被测对象保持一定时间才能达到热平衡.保持时间的长短，同测温元件的热响应时间有关.而热响应时间主要取决于传感器的结构及测量条件.因热电偶长期工作在环境恶劣的高温气氛中，保护管表面沉积的灰尘、炉渣等被烧熔在表面上，使保护套管结垢，热阻抗增大，导致热电偶的热容量增加，时间常数加大，延长了热电偶的响应时间，使热端的温度变化总是滞后于被测温度的变化，产生热响应误差.不仅使指示温度偏低.而且还造成测量滞后，控制系统的实时性较差.解决的办法是更换热电偶或定期检修。

（2）热电偶不同结构的动态响应.热电偶根据结构的不同，有铠装式和装配式两种基本形式.铠装式以其热响应时间快的优点，用于温度变化快的场合.另外，偶丝的粗细、保护管的直径大小，都与热电偶动态响应时间有关，选择较细的偶丝和较小的保护管可以降低热响应误差。

（3）测温点发生变化.热电偶的安装位置虽然正确，但长期使用，特别是在高温下使用，其外保护管变形弯曲，测温点发生偏移，导致温度偏高或偏低.一种情况是：保护管变形弯曲，使热电偶热端直接对准火焰或直接接收固体发出的热辐射，那么结果导致温度总是偏高；另一种情况则与之相反，保护管变形，使其偏离均匀温度场，导致温度总是偏低.因此，热电偶在选型时，不能忽略其保护管的选择，根据被测温度，选择适用于不同温度的金属或非金属保护管。

2.热电偶测温误差分析

2.1影响热电偶测温的因素

（1）玷污与应力影响

热电偶在生产过程中，偶丝经过多道缩径拉伸在其表面总是受玷污的，同时，从偶丝的内部结构来看，不可避免地存在应力及晶格的不均匀性。因淬火或冷加工引入的应力，退火不合格所造成的误差，可达十分之几度到几度。它与待测温度及热电偶电极上的温度梯度大小有关。

（2）不均匀性影响

一般来说热电偶若是由均质导体制成的，则其热电势只与两端的温度有关，若热电极材料不是均匀的，且热电极又处于温度梯度场中，则热电偶会产生一个附加热电势，即“不均匀电势”。其大小取决于沿热电极长度的温度梯度分布状态，材料的不均匀形式和不均匀程度，以及热电极在温度场所处的位置。造成热电极不均匀的主要原因有：在化学成分方面如杂质分布不均匀，成分的偏析，热电极表面局部的金属挥发，氧化或某金属元素选择氧化，测量端在高温下的热扩散，以及热电偶在有害气氛中受到玷污和腐蚀等。在物理状态方面有应力分布不均匀和电极结构不均匀等，在工业使用中，有时不均匀电势引起的附加误差竟达30℃，这将严重地影响热电偶的稳定性和互换性。对于新制的热电偶，即使是不均质，热电动势能满足要求，但是反复加工，弯曲致使热电偶产生加工畸变。也将失去均质性，而且使用中热电偶长期处于高温下也会因偶丝的劣化而引起热电动势变化，例如：插入工业高温部位中的热电偶，将沿偶丝长度方向发生劣化，并伴随温度增高，劣化增强，当局部劣化的部分处于具有温度梯度的场所也将产生寄生电动势，叠加在总热电动势中而出现测量误差。

（3）热电偶不稳定性影响

不稳定性就是指热电偶的分度值随使用时间和使用条件的不同而起的变化。在大多数情况下，它可能是不准确性的主要原因。影响不稳定性的因素有：玷污，热电极在高温下挥发，氧化和还原，脆化，辐射等。

（4）传热及热电偶安装影响

由于热电偶测温是属于接触式测量，当热电偶插入被测介质时，它要从被测介质吸收热量使自身温度升高，同时又以热辐射方式和热传导方式向温度低的地方散发热量，当测量端向外散失的热量等于自气流中吸收的热量时即达到动态平衡，此时热电偶达到了稳定的示值，但并不代表真实温度，因为测量端环境散失的热量是由环境温度来补偿，量端与环境的传热愈强，测量端的温度偏离真实温度就愈大。

（5）导热误差影响

在测量高温场所的温度时，由于沿热电偶长度存在温度梯度，故测量端必然会沿热电极导热，使得指示温度偏离实际温度。

（6）测量系统漏电分流影响

绝缘不良是产生电流泄漏的主要原因，它对热电偶的准确度有很大的影响，能歪曲被测的热电势，使仪表显示失真，甚至不能正常工作。漏电引起误差是多方面的，例如，热电极绝缘瓷管的绝缘电阻较差，使得热电流旁路。若电测设备漏电，也能使工作电流旁路，使测量产生误差。分流误差即用铠装热电偶测温，当热电偶中间部位的温度超过600℃时其绝缘电阻就下降，热电偶示值出现异常的现象，称为分流误差。依据均质回路定则，热电偶只与测量端两断温度有关，与中间温度分布无关，可是由于铠装热电偶的绝缘物是粉末状石英沙，温度每升高100℃其绝缘电阻下降一个数量级，当中间部位温度较高时，必定有漏电流产生，致使在热电偶输出电势中有分流误差出现，导致热电偶测量出现误差。分流误差的产生条件与铠装热电偶种类和直径等因素有关，铠装热电偶产生分流误差。

（7）动态响应误差影响

热电偶插入被测介质后，由于本身具有热惰性，因此不能立即指示出被测介质的温度，只有当测量端吸、放热达到动态平衡后才达到稳定的示值。在热电偶插入后到示值稳定之前的整个不稳定过程中，热电偶的瞬时示值与稳定后的示值存在着偏差，这时热电偶除了有各种稳定的误差外，还存在由热电偶热惰性引入的偏差，即动态响应误差。

3.结束语

热电偶测温系统组成复杂，运行环境恶劣，只要按照热电偶的应用定则，合理的选型，正确的接线，就能有效地降低误差，使热电偶测温系统的误差控制在其允许误差范围内.本文虽然按照组成系统的各个环节来分析，但实际情况也可能误差产生于多个环节，这就需要逐个排除，不断积累经验，为生产提供准确可靠的温度计量数据.

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