熱電偶溫度計(jì)量的誤差原因分析

馮巖

（甘肅省計(jì)量研究院，甘肅 蘭州 730070）

熱電偶是工業(yè)上使用最廣泛的感溫元件之一，相對(duì)其他溫度傳感器器件而言，熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、測(cè)溫范圍廣和性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)。但就目前應(yīng)用而言，熱電偶受一定的外界因素影響，極易造成誤差，因此需要了解熱電偶的工作過程，深入分析熱電偶溫度計(jì)量的誤差原因。

1 熱電偶測(cè)溫的原理簡(jiǎn)述

熱電偶溫度計(jì)主要有感溫元件和外部保護(hù)裝置組成，其中感溫元件是由兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體或者半導(dǎo)體構(gòu)成，兩種材料通過焊接形成一個(gè)閉合的回路。當(dāng)二者之間的執(zhí)著點(diǎn)之間出現(xiàn)了溫差 ，二者就會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì) ，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)會(huì)在整個(gè)回路形成一個(gè)電流，這種現(xiàn)象被稱為熱電效應(yīng)。根據(jù)熱電效應(yīng)，將感溫元件產(chǎn)生的電流通過電氣儀表作用轉(zhuǎn)換為被測(cè)介質(zhì)的溫度，這就是熱電偶溫度計(jì)的主要工作原理。

2 熱電偶溫度計(jì)量誤差的主要因素

2.1 熱電偶熱電特性不穩(wěn)定所引起的誤差

熱電偶溫度計(jì)經(jīng)過一段時(shí)間使用，受其使用的環(huán)境影響，其本身的熱電性能將會(huì)產(chǎn)生一定的變化，則該熱電偶溫度計(jì)計(jì)量得到的溫度與真實(shí)溫度有一定的偏離。影響熱電偶穩(wěn)定性的主要因素有：（1）被測(cè)物對(duì)熱電偶電極的污染和腐蝕；（2）熱電極受外力作用而產(chǎn)生的變形所引起的形變應(yīng)力；（3）感溫電極在高溫下微觀結(jié)構(gòu)晶粒發(fā)生變化；(4)熱電極受暴露在空氣中發(fā)生氧化等。

2.2 熱電偶不均勻性的影響

熱電偶的均勻性是指熱電偶熱電極材料的均勻程度。如果熱電偶中的兩個(gè)熱電極材料是均勻的，則熱電偶回路產(chǎn)生的熱電勢(shì)和兩端溫度差呈正相關(guān)，而與沿?zé)犭姌O長(zhǎng)度的溫度梯度無關(guān)。

2.3 測(cè)量溫度點(diǎn)的選擇

選擇合適的測(cè)溫點(diǎn)是安裝熱電偶時(shí)十分重要的考慮因素，選擇具有代表性的測(cè)溫點(diǎn)，對(duì)于整個(gè)生產(chǎn)環(huán)境具有特殊的意義。位置選擇不當(dāng)，則控制和計(jì)量將毫無意義。在測(cè)量點(diǎn)，熱電偶插入的深度也對(duì)溫度測(cè)量產(chǎn)生影響，當(dāng)外部環(huán)境和被測(cè)物溫度存在溫度差時(shí)，熱電偶上測(cè)量的溫度會(huì)隨著傳感器的延長(zhǎng)而與外界環(huán)境產(chǎn)生熱交換，繼而帶來計(jì)量誤差。由于環(huán)境溫度千變?nèi)f化，這種溫度誤差是不可估量的。除了由于插入深淺發(fā)生熱傳導(dǎo)引入的誤差以外，熱電偶外部保護(hù)管材質(zhì)也會(huì)引入測(cè)量誤差。例如金屬材質(zhì)的保護(hù)管，其導(dǎo)熱性能較好，因此在測(cè)量過程中需要將其插入更深以避免熱量損失。對(duì)于陶瓷材質(zhì)的保護(hù)管，則需要將其插入淺一些。

2.4 響應(yīng)時(shí)間的影響

只有被測(cè)對(duì)象和測(cè)溫元件溫度一致時(shí)，測(cè)溫元件的溫度才能穩(wěn)定，此時(shí)二者達(dá)到熱平衡，這是接觸法測(cè)溫的基本原理。被測(cè)對(duì)象和測(cè)溫元件溫度達(dá)到一致需要一定時(shí)間來實(shí)現(xiàn)，該時(shí)間的長(zhǎng)短，主要由測(cè)溫元件的熱響應(yīng)性能決定，即熱響應(yīng)時(shí)間。熱響應(yīng)時(shí)間受傳感器的結(jié)構(gòu)和計(jì)量條件影響，通過實(shí)驗(yàn)，不同條件下的響應(yīng)時(shí)間差別很大。靜止的氣態(tài)介質(zhì)，兩者需要持續(xù)接觸30分鐘以上才能達(dá)到溫度平衡，如靜態(tài)的液體，溫度平衡時(shí)間將縮短到5分鐘。在實(shí)際工程應(yīng)用中，被測(cè)對(duì)象的溫度經(jīng)常是處于不斷變化的狀態(tài)，瞬間變化的時(shí)間很短，因此對(duì)傳感器的要求也相對(duì)較高，一般要求其響應(yīng)能力為ms級(jí)別。如響應(yīng)能力不足，則出現(xiàn)測(cè)量滯后現(xiàn)象。因此選擇傳感器要選擇響應(yīng)速度快的。計(jì)量端直徑是影響響應(yīng)速度的重要因素。如果偶絲較細(xì)，則響應(yīng)時(shí)間較短。

2.5 熱輻射的影響

當(dāng)用熱電偶測(cè)量爐中溫度時(shí)，爐內(nèi)高溫物體對(duì)熱電偶的熱輻射，會(huì)引起熱電偶溫度升高。如果爐內(nèi)的氣體假定為透明的 ，熱電偶和爐壁之間的溫差比較大時(shí) ，那么能量交換之后也會(huì)帶來測(cè)溫方面的誤差。增加熱傳導(dǎo)能夠有效的降低這部分誤差，讓爐壁的溫度和熱電偶溫度接近。

2.6 熱阻抗增加的影響

當(dāng)熱電偶處于高溫的工況環(huán)境下，氣態(tài)被測(cè)介質(zhì)會(huì)將保護(hù)管表層灰塵燒熔，引起保護(hù)管熱阻抗增加。如果介質(zhì)是熔體，那么在操作中會(huì)出現(xiàn)爐渣的沉淀 沉淀的爐渣會(huì)增加熱電偶響應(yīng)時(shí)間，指示溫度方面會(huì)變低。因此定期檢查或不定時(shí)的抽檢熱電偶的工作狀態(tài)，能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)熱電偶產(chǎn)生的異常，減少測(cè)量誤差。

2.7 熱電偶絲不均質(zhì)引起誤差

根據(jù)上述測(cè)量原理，當(dāng)熱電偶的偶絲均質(zhì)時(shí)，根據(jù)均質(zhì)回路定則，長(zhǎng)度對(duì)計(jì)量的結(jié)果沒有影響。而實(shí)際情況是，廠家在進(jìn)行偶絲生產(chǎn)時(shí)，通常會(huì)因?yàn)闇囟鹊仍?，導(dǎo)致偶絲粗細(xì)不均，呈竹節(jié)狀，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的打卷現(xiàn)象。另外在后期的加工中會(huì)出現(xiàn)其他問題，對(duì)熱電偶進(jìn)行的反復(fù)加工，會(huì)讓熱電偶出現(xiàn)畸變從而失去均質(zhì)。在進(jìn)行測(cè)溫工作時(shí)，很多偶絲位于高溫區(qū)，如果不具備均值性，且環(huán)境溫度變化 ，那么熱電偶局部就會(huì)出現(xiàn)寄生熱電動(dòng)勢(shì)，從而引入誤差。

3 結(jié)語

從熱電偶的基本工作原理、具體的使用方法和生產(chǎn)制作過程中存在的問題等方面進(jìn)行深入分析，得到了熱電偶溫度計(jì)量產(chǎn)生誤差的主要原因，在熱電偶的制作和使用中，傳感器插入位置與深淺、熱電偶對(duì)溫度的響應(yīng)時(shí)間、環(huán)境對(duì)熱電偶的熱輻射、熱阻抗改變、熱電偶絲不均質(zhì)等都是產(chǎn)生計(jì)量誤差的主要因素，因此提升溫度計(jì)量的準(zhǔn)確度要從上述因素中減小和避免。分析熱電偶溫度計(jì)量的誤差原因，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]王魁漢.溫度測(cè)量技術(shù)[M].東北工學(xué)院出版社，1992.

[2]徐科軍.傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2004：75-92.