臺架實驗用熱電偶測溫元件的結構改進

王娟，杜文君

（陜西法士特齒輪有限責任公司，陜西 西安 710117）

前言

臺架實驗作為變速箱研發(fā)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，受到了相關技術人員的高度重視。臺架實驗過程中，通過測量、記錄多種實驗參數(shù)，如轉(zhuǎn)速、扭矩、力值、溫度、壓力、時間等，依次分析、評判變速箱的各種實際性能，尋找改進機會。所以各種實驗參數(shù)獲得、準確、可靠就顯得尤為重要。

實驗過程一般要持續(xù)一段時間，為了完整的保留各種實驗數(shù)據(jù)，就需要實驗系統(tǒng)能夠即時采集、顯示、記錄各種數(shù)據(jù)。所以各種傳感器、變送器、轉(zhuǎn)換模塊就得到了廣泛應用。

臺架實驗時，比較常用的測溫元件有工作用熱電偶和工業(yè)鉑熱電阻兩種，這兩種測溫元件的顯著特點是：成本低、測量信號便于傳輸、使用方便。

本文針對溫度測量時，熱電偶類測溫元件結構型式選擇環(huán)節(jié)，結合熱電偶的計量檢定談談自己的認識和體會。

1 問題的提出

熱電偶的測溫原理告訴我們，只有當熱電偶的冷端溫度保持不變時，熱電勢才是被測溫度的單值函數(shù)。實際應用時，為了節(jié)約熱電偶的電極材料、降低費用，熱電偶不必制作過長，原則是：工作端要能達到需測量的溫度場位置，冷端需處于周圍溫度相對穩(wěn)定的環(huán)境中，同時采用適當?shù)睦涠藴囟妊a償法。冷端溫度補償法中，補償導線法比較常用，這種方法費用低，易于實現(xiàn)，但是必須注意的是與之配用的顯示單元本身要具有冷端溫度自動補償功能，同時，熱電偶和補償導線連接處的溫度不應超過 100℃，否則也會由于補償導線和熱電偶的熱電特性不同而帶來新的誤差。

圖 1所示為實驗中最初擬用的一種規(guī)格的 K分度熱電偶，其插入深度L=60mm。由于它的工作端（熱端）與冷端距離太近，我們認為，實際使用中，這種型式的熱電偶只適合測量不超過150℃的溫度。若要測量150℃以上溫度，尤其是需要垂直插入測量時，（測量對象表面溫度超過100℃）誤差將顯著增大（示值偏低）。

圖1 型號WRNK2-101 規(guī)格L=60 mm

2 改進方案的實施

圖1所示熱電偶的冷端和被測溫場只有不到60mm的距離，受熱輻射的影響，冷端溫度已經(jīng)超過了 100℃，熱電偶和補償導線連接插頭處的溫度超過 100℃后，補償導線和熱電偶的熱電特性不同而帶來新的誤差導致測量結果誤差增大。

我們將圖1所示熱電偶改為圖2所示結構型式，其插入深度L=60mm，但將冷端延長了80mm，并改為柔性型式。這樣，當熱電偶垂直插入測溫孔后，可以將冷端方便的固定在被測溫場的一側，而不是正上方，保證其冷端溫度不超過100℃。

圖2 型號WRNK2-191 規(guī)格L=60mm

以上兩種結構形式的鎧裝 K分度熱電偶為同一廠家制作，在完全相同的條件下進行計量檢定后，“檢定結果”如下表所示。比較 50℃～250℃測量范圍內(nèi)五個檢定點的實際誤差可以看出：檢定溫度在50℃、100℃、150℃三點上，兩種型號熱電偶的實際誤差均在±2.5℃允差范圍內(nèi)；當檢定溫度為200℃、250℃兩點時，WRNK2-191型（改進后）熱電偶的實際誤差仍在其允差范圍內(nèi)，而WRNK2-101型（改進前）熱電偶的實際誤差超出了允差范圍，并有隨著溫度升高、誤差絕對值增大的趨勢。這個結果就是熱電偶和補償導線連接處的溫度超過 100℃后，補償導線和熱電偶熱電特性不同而帶來新的誤差所致。

表1

［以下空白］

證書只對此被測件有效。未經(jīng)本實驗室批準，不得部分復印。

3 結束語

選擇熱電偶類測溫元件測溫時，在考慮測量范圍、響應速度、分度號等因素的同時，還要重點關注熱電偶的安裝方式、冷端溫度等條件，必要時根據(jù)實際情況選用柔性結構型式的熱電偶，并將冷端延長至環(huán)境溫度較為穩(wěn)定的位置，確保測量結果準確可靠。

以上觀點是我們根據(jù)實際檢定結果、分析測量過程總結而得，不妥之處歡迎同行批評、指正。

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