探討熱電偶溫度計量準確度的影響因素

武雪寶

【摘要】在溫度計量儀表中，溫度傳感器是其核心的部分，有著十分繁多的品種。溫度的計量，不管采用任何一種計量儀器，都需要滿足準確、經(jīng)濟和數(shù)值穩(wěn)定的要求，并且不能夠被外界諸多不利因素的影響。對于熱電偶溫度計，如何才能在使用中達到很高的精度，這是設計人員急切需要解決的問題。在熱電偶溫度計的使用中，計量準確度會受到諸多干擾因素的影響。文章主要對其計量準確度的影響因素展開分析。

【關鍵詞】熱電偶；計量；準確度；影響因素

在眾多的計量參數(shù)中，很多參數(shù)是需要被準確計量的，溫度就是其中之一。以計量方式來進行劃分，一般可以分為兩類，接觸以及非接觸式；如果按照材料和特性來劃分，一般可以分為本文提到的熱電偶以及熱電阻這兩種。

在實際的工業(yè)生產(chǎn)中，上述幾種溫度計量儀表中，熱電偶的優(yōu)點較為突出，如制造簡單，計量方便等，都為其在工業(yè)溫度計量中的廣泛應用奠定了良好的基礎。在作者多年實踐的基礎之上，通過大量閱讀相關文獻，對熱電偶計量誤差進行了詳細的總結(jié)。

1.熱電偶測溫基本原理

在熱電偶溫度計中，由感溫元件以及外部的保護裝置構(gòu)成，在感溫元件中，通過將不同材料的兩種導體或者是半導體A以及B焊接，連接成一個閉合回路。如果二者之間的執(zhí)著點之間出現(xiàn)了溫差，二者就會出現(xiàn)電動勢，在整個回路中就會出現(xiàn)一個大小電流，這樣就被稱為熱電效應。通過電氣儀表的作用之后，電流會轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y介質(zhì)的溫度，熱電偶溫度計的主要工作原理就是這一效應。

2.熱電偶溫度計量準確度的主要影響因素

2.1 測溫點的選擇。對熱電偶進行安裝，選擇測溫點是十分重要的。測溫點的位置選擇，對于整個生產(chǎn)過程來說，需要有特殊的意義，要有代表性，如果不能選擇這樣的位置，計量以及控制的意義將不復存在。

2.2 插入深度的影響。將熱電偶放入到被測場地，傳感器的長度方向就會出現(xiàn)熱流。如果環(huán)境的溫度比較低，熱流會被損失。使得最終熱電偶表現(xiàn)出的溫度與被測對象的溫度不相同，從而導致測溫誤差。熱傳導帶來的誤差，和放入的深度相關。插入深度方面，又受到了保護管材質(zhì)的影響。金屬性能的導熱性能比較好，所以需要將其放入更深；而陶瓷性質(zhì)的材料有較好的絕熱性，需要將其插入較淺一些。工程測溫中的插入深度，除了上述一些影響因素在之后，還會受到計量對象的狀態(tài)等相關因素的影響。當被測物體為流動液體時，就不需要被上述的影響因素限制，可以講插入深度減少一些，在實驗中將具體的數(shù)值進行確定。

2.3 響應時間的影響。當測溫元件和被測對象之間達到熱平衡，就是接觸法測溫的基本原理。所以測溫時，需要有一定的事件才能夠讓二者之間實現(xiàn)熱平衡。保持時間市場還是短，主要由測溫元件的熱響應時間決定。這一時間的取決條件為傳感器的結(jié)構(gòu)和計量條件，不同的條件導致了很大的差別。如果為氣體介質(zhì)，且為靜止，保持的時間要達到30分鐘才可以。而如果是液體的，只需要五分鐘以上就可以了。在被測場所中，溫度是不斷變化的，瞬間變化過程時間很短，僅僅為一秒，所以對于傳感器的要求需要達到ms級別。所以，如果溫度傳感器比較普通，那么被測對象的溫度變化速度將很難跟上，會出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，另外熱平衡達不到之后也會帶來計量誤差。因此在對傳感器進行選擇時，需要選擇相應比較快的。對熱電偶的響應時間產(chǎn)生影響的不僅僅是保護管，另外計量端直徑也是一個重要的影響因素。如果偶絲較細，那么這一數(shù)值將越小，響應時間當然比較短。被測對象的溫度，在溫度上升和下降方面以α（k/s或℃/s）速度進行時，在一段時間之后，相應誤差的計算公式為Δθ∞=-αT，Δθ∞：一段足夠的時間之后，測溫元件會出現(xiàn)誤差。從上述公式來看，時間常數(shù)（T）和相應誤差之間成正比關系。

2.4 熱輻射的影響

在爐中進行測溫工作的熱電偶，高溫物體會產(chǎn)生熱輻射，引起熱電偶加熱現(xiàn)象。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，那么能量交換之后也會帶來測溫方面的誤差。

所以想要減少這部分誤差，需要將熱傳導增加，讓爐壁的溫度和熱電偶溫度接近。此外，安裝過程中需要特別注意，熱電偶的具體安放位置需要與固體發(fā)出的熱輻射錯開，固體的熱輻射不能直達熱電偶的表面，需要時將熱電偶外部加入熱輻射遮蔽套。

2.5 熱阻抗增加的影響

熱電偶在高溫下工作，被測介質(zhì)如果是氣體，那么保護管表面的灰塵會在表面上被燒熔，保護管的熱阻抗將會增加。如果介質(zhì)是熔體，那么在操作中會出現(xiàn)爐渣的沉淀，使得熱電偶響應時間被增加，指示溫度方面會變低。所以在定期的檢查之外，為了減少誤差，需要對其進行不定時的抽檢。所以在生產(chǎn)的現(xiàn)場，連續(xù)測溫熱電偶需要被安裝，還需要配備好消耗型熱電偶測溫裝備，以方便對前者進行準確度的校準。

2.6 熱電偶絲不均質(zhì)引起誤差

熱電偶有著不均質(zhì)的材質(zhì)。廠家在進行偶絲生產(chǎn)時，通常會因為溫度等原因，導致竹節(jié)狀出現(xiàn)，粗細并不均勻，甚至出現(xiàn)嚴重的打卷現(xiàn)象。另外在后期的加工中會出現(xiàn)其他問題，對熱電偶進行的反復加工，會讓熱電偶出現(xiàn)畸變，均質(zhì)性也會失去。在進行測溫工作時，很多偶絲位于高溫區(qū)，若偶絲為均質(zhì)性，那么根據(jù)均質(zhì)回路定則，長度和計量的結(jié)果沒有關聯(lián)。如果不是均值性，并且處于有溫度變化的場所，那么局部就會出現(xiàn)寄生熱電動勢，最后導致的誤差就被認為是不均質(zhì)誤差。

2.7 計量系統(tǒng)漏電影響

如果出現(xiàn)了電流泄露，主要是因為絕緣不良。這對于熱電偶測溫是否準確有著極大的影響，將熱電勢歪曲，儀表顯示方面則會失真，更為嚴重的是不能開展正常工作。漏電帶來的誤差表現(xiàn)在多個方面，如熱電極絕緣瓷管沒有很好的絕緣電阻，熱電流會旁路，熱電偶端電壓下降，但是影響并不會太大。電測設備如果出現(xiàn)漏電，也會出現(xiàn)上述現(xiàn)象，最終出現(xiàn)誤差。

3.結(jié)論

從上述的不穩(wěn)定因素的論述來看，這些都是熱電偶計量溫度時，必須要認識的。通過對熱電偶溫度計量準確度的影響因素分析，總結(jié)出在熱電偶的制作和使用中，現(xiàn)場插入位置及深度、響應時間、熱輻射、熱阻抗增加、熱電偶絲不均質(zhì)、計量系統(tǒng)漏電等都是影響最終溫度計量準確度的因素，對于這些影響因素，在實際溫度計量中，我們只要仔細觀察，善于總結(jié)就能夠有效避免這些不必要的測量誤差，提升溫度計量的準確度。

參考文獻：

[1]王魁漢.溫度測量技術[M].東北工學院出版社，1992.

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