熱電偶測溫誤差分析及解決方法

劉 智（齊齊哈爾二機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 計(jì)量室,黑龍江 齊齊哈爾 161005）

熱電偶測溫誤差分析及解決方法

劉 智
（齊齊哈爾二機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 計(jì)量室,黑龍江 齊齊哈爾 161005）

摘 要：熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)中較為常用的一種溫度傳感器，由于其使用簡單且功能性較好，因此長期以來一直作為溫度檢測元件被廣泛應(yīng)用。而在工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際的溫度測量過程中，由于安裝及使用過程中的一系列因素的影響，會(huì)使熱電偶在測溫過程中會(huì)出現(xiàn)一定程度的誤差，影響溫度測量的準(zhǔn)確性。本文將對熱電偶測溫過程中出現(xiàn)的誤差進(jìn)行原因分析，進(jìn)而探討熱電偶測溫誤差的解決方法。

關(guān)鍵詞：熱電偶；測溫誤差；誤差修正

1 熱電偶的測溫基本原理

溫度測量的方式一般分為接觸式測量和非接觸式兩大類，由于溫度參數(shù)的特殊性，使其無法通過直接方式獲取，而必須要利用一些物理特性與溫度之間有著特定函數(shù)關(guān)系的物質(zhì)來進(jìn)行間接的測量獲取。

從溫度測量的方式來看，熱電偶屬于接觸式測溫，熱電偶測溫元件進(jìn)行溫度測量的基本原理是元件材料的熱電效應(yīng)，具體來說，就是將電子密度不同的兩種金屬導(dǎo)體首尾相接組成閉合回路,當(dāng)回路兩端的溫度不同時(shí),在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢,形成熱電流,這樣就可將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)以便于測量。利用熱電偶進(jìn)行溫度測量具有準(zhǔn)確度較高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)，同時(shí)熱電偶測溫范圍相對較廣，信號(hào)可以遠(yuǎn)距離傳送，這也使熱電偶測溫裝置能夠好更好地實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測以及自動(dòng)控制。然而熱電偶測溫元件的精度在實(shí)際的使用過程中會(huì)受到一系列因素的影響，結(jié)合熱電偶測溫的基本原理，并通過技術(shù)手段對熱電偶測溫誤差原因進(jìn)行分析，將能夠有效的控制測溫誤差的出現(xiàn)，提高熱電偶測溫的精度。

2 熱電偶測溫誤差及原因分析

（1）熱電偶安裝因素造成的誤差。熱電偶在安裝過程中位置的選擇不合理，以及實(shí)際測溫時(shí)插入被測環(huán)境的深度不當(dāng)，都會(huì)導(dǎo)致熱電偶測溫誤差的產(chǎn)生。同時(shí)針對不同測溫對象，熱電偶插入的深度也要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，要根據(jù)實(shí)際測溫工作的需要，結(jié)合科學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對不同對象測溫時(shí)插入的深度進(jìn)行準(zhǔn)確的確定。

（2）參考端溫度變化導(dǎo)致的測溫誤差。利用熱電偶進(jìn)行測溫的過程中參考端的溫度十分重要，參考端的溫度對熱電偶的熱電動(dòng)勢有著直接的影響，因此保持參考端的溫度的恒定，是保證熱電偶測溫精度的前提條件。一般情況下，參考端的溫度以保持0℃為最佳，但在實(shí)際的測溫工作中，并不容易取得0℃的理想值，因此采取一些其他的方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償也是提高熱電偶測溫精度的常用措施。

（3）熱輻射以及導(dǎo)熱誤差。熱輻射誤差主要是由熱電偶測量端與環(huán)境的輻射熱交換所引起的，而導(dǎo)熱誤差則是由于沿?zé)犭娕奸L度存在溫度梯度，而測量端必然會(huì)沿?zé)犭姌O導(dǎo)熱,使得指示溫度偏離實(shí)際溫度。

（4）熱電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差。由于熱電偶的測溫方式屬于接觸式，因此在測溫過程中熱電偶測溫元件需要通過一定時(shí)間的保持使其同被測的對象達(dá)到熱平衡，所需要保持的時(shí)間取決于熱電偶的熱響應(yīng)時(shí)間，熱響應(yīng)時(shí)間則根據(jù)具體的測量環(huán)境條件以及熱電偶的結(jié)構(gòu)而有所差別。對于靜止的測量對象以及測量環(huán)境熱電偶在保持一定時(shí)間后可以準(zhǔn)確測量出溫度數(shù)據(jù)，然而當(dāng)測量對象及環(huán)境的溫度時(shí)刻變化時(shí)，往往對熱電偶的熱反應(yīng)時(shí)間有著很高的要求，當(dāng)傳感器的熱響應(yīng)速度無法跟上被測環(huán)境溫度的變化速度時(shí)，就會(huì)因?yàn)闊o法達(dá)到熱平衡而產(chǎn)生誤差。

（5）測量系統(tǒng)漏電引起的熱電偶測溫誤差。熱電偶測溫系統(tǒng)在使用過程中，會(huì)因?yàn)榻^緣層損壞等原因造成系統(tǒng)漏電，導(dǎo)致熱電勢受到影響，使儀表的指示溫度與實(shí)際的溫度之間出現(xiàn)誤差，較嚴(yán)重的將導(dǎo)致測量系統(tǒng)的失靈。

3 熱電偶測溫誤差的修正

（1）結(jié)合實(shí)際測量需要，合理選擇測溫點(diǎn)，準(zhǔn)確控制熱電偶插入深度。選擇具有代表性的測溫點(diǎn)是保障熱電偶測溫的準(zhǔn)確性的基本條件，在實(shí)際測量工作中，要結(jié)合對被測設(shè)備的研究以及設(shè)備正常工作過程中的溫度特性，找到最典型的點(diǎn)位作為測溫點(diǎn)，才能達(dá)到有效的測溫與控溫的目的。要根據(jù)測量對象的不同，以及測溫裝置保護(hù)管材質(zhì)的區(qū)別來進(jìn)行插入深度的設(shè)定，通過一些相應(yīng)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有效的參考與指導(dǎo)，進(jìn)而確定不同測量工作條件下的插入深度。

（2）參考端溫度變化導(dǎo)致測溫誤差的修正方法有很多種，其中較常用的方法包括：恒溫器法、補(bǔ)償電橋法以及補(bǔ)償導(dǎo)線法等。恒溫器法主要是通過冰點(diǎn)恒溫器的使用，使熱電偶的參考端溫度保持恒定，將參考端溫度控制在0℃以確保測量的準(zhǔn)確性。補(bǔ)償電橋法，是通過在測溫系統(tǒng)加入一個(gè)具有電壓補(bǔ)償作用的橋路裝置，讓該裝置的電壓隨溫度升高而升高，針對性的補(bǔ)償參考端溫度變化造成的熱電勢的降低值，使系統(tǒng)中的電壓數(shù)值維持相對平衡，進(jìn)而保持系統(tǒng)溫度測量的準(zhǔn)確度。補(bǔ)償導(dǎo)線法的原理是利用補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶參考端延長至溫度相對恒定的地方，進(jìn)行有效的修正，但補(bǔ)償導(dǎo)線法的修正作用不足以完全消除參考端溫度變化導(dǎo)致的測溫誤差，所以在使用補(bǔ)償導(dǎo)線法進(jìn)行誤差修正時(shí)還要結(jié)合其他的方法，共同作用來進(jìn)行有效的修正，進(jìn)而減小原參考端溫度變化對測量精度的影響。

（3）針對熱輻射導(dǎo)致的測量誤差可以通過兩種方法進(jìn)行修正，一是加劇對流換熱,二是削弱輻射換熱。對于導(dǎo)熱誤差的修正也可以通過采取大多數(shù)可以加強(qiáng)對流或是削弱導(dǎo)熱的措施來實(shí)現(xiàn)。

（4）對熱電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差的修正，主要通過提高溫度傳感器的熱響應(yīng)速度，縮短傳感器熱響應(yīng)滯后時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。通過科學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)熱電偶的熱響應(yīng)時(shí)間與熱電偶接點(diǎn)的體積以及與被測介質(zhì)的接觸面積有關(guān)，因此在實(shí)際溫度測量中，減小熱電偶接點(diǎn)的體積，從而減小接點(diǎn)部分的熱容量，或通過改變接點(diǎn)的形狀等方式增大接點(diǎn)與被測介質(zhì)的接觸面積，都可以有效的減少熱響應(yīng)的滯后時(shí)間。此外，通過改變熱電偶的材質(zhì)，提高熱電偶的熱響應(yīng)速度也是修正動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差的有效方法。

（5）針對溫度測量系統(tǒng)漏電引起的測量誤差，要加強(qiáng)對測量系統(tǒng)的日常檢修與養(yǎng)護(hù)，確保測量系統(tǒng)絕緣性能的正常發(fā)揮，同時(shí)采取接地以及其他的屏蔽方法來進(jìn)行誤差修正，還可以通過增大熱電偶直徑，增加絕緣層的厚度，降低電阻值以及調(diào)整加熱帶的長度等措施來進(jìn)行鎧裝熱電偶分流誤差的修正。

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