淺析影響熱電偶測溫儀表準確性的因素

張瀚予

摘要：熱電偶的品種很多，各種分類方法也不盡相同，按照工業標準化的要求可以分為標準化熱電偶和非標準化熱電偶兩種。熱電偶是熱電效應理論的具體應用之一，在溫度測量中有廣泛的應用，具有結構簡單、性能穩定、容易構造等優點。熱電偶通過與顯示儀表配合使用，可以實現遠距離測量、自動記錄、溫度自動控制等。

關鍵詞：熱電偶；溫差；誤差及處理措施

引言

紅沿河核電站項目位于遼寧省大連市瓦房店市紅沿河鎮，核電站一期工程采用CPR1000壓水堆核電技術，是國家“十一五”期間首個批準建設的核電項目，是東北地區第一個核電站。遼寧紅沿河核電二期工程采用ACPR1000核電技術，2018年11月6號機組首套蒸汽發生器安裝就位，整體工程建設迎來高峰期。遼寧紅沿河核電站自開工建設以來，一直堅持“安全第一、質量第一”的方針，嚴格按照國家有關法規組織工程建設。核電站對元件要求較高，在工業生產過程中，溫度是需要測量和控制的重要參數之一，熱電偶是溫度測量儀表中常見的測溫元件，在這里對影響熱電偶測溫儀表準確性的因素進行簡要分析。

1.熱電偶測溫基本原理

將兩種不同材料的導體或半導體A和B連接起來，構成一個閉合回路，就構成熱電偶。溫度T端為感溫端稱為測量端，溫度T0端為連接儀表端稱為參比端或冷端，當導體A和B的兩個執著點T和T0之間存在溫差時，就在回路中產生電動勢EAB（T，T0），因而在回路中形成電流，這種現象稱為熱電效應。這個電動勢稱為熱電勢，熱電偶就是利用這一效應來工作的。熱電勢的大小與T和T0之差的大小有關，當熱電偶的兩個熱電極材料已知時，由熱電偶回路熱電勢的分布理論知熱電偶兩端的熱電勢差可以用下式表示：

EAB（T，T0）=EAB（T）-EAB（T0）

式中EAB（T，T0）-熱電偶的熱電勢；

EAB（T）-溫度為T時工作端的熱電勢；

EAB（T0）-溫度為T0時冷端的熱電勢。

從上式可看出當工作端的被測介質溫度發生變化時，熱電勢隨之發生變化，因此，只要測出EAB（T，T0）和知道EAB（T0）就可得到EAB（T），將熱電勢送入顯示儀表進行指示或記錄，或送入微機進行處理，即可獲得測量端溫度T值。

需要特別強調的是，熱電偶之所以能測出溫度，歸根結底是測量熱電偶兩端的熱電動勢，測量儀表能夠讓我們看到溫度數值，是因為它已經將熱電動勢轉換成了溫度。

2.熱電偶測溫誤差及原因分析

2.1 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，以及實際測溫時插入被測環境的深度不當，都會導致熱電偶測溫誤差的產生。同時針對不同測溫對象，熱電偶插入的深度也要進行相應的調整，要根據實際測溫工作的需要，結合科學的實驗數據，對不同對象測溫時插入的深度進行準確的確定。

2.2 參考端溫度的影響

熱電偶的熱電動勢的大下與熱電極材料以及工作端的溫度有關。熱電偶的分度表和根據分度表的溫度顯示儀表都是以熱點偶參考端溫度等于0℃為條件的。所以在使用時必須遵循這一條件。如果參考端溫度Tn不等于0℃，盡管被測溫度T恒定不變，熱電勢EAB（T，Tn）也將隨著參考端溫度Tn的變化而變化。其變化大小可根據熱電偶的中間溫度定律求得。

EAB（T，Tn）=EAB（T，Tn）+EAB（Tn，To）

當To>0℃時，此時熱電偶的熱電動勢減少了EAB（Tn，To），因而將使測量儀表的示值下降。因此，當參考端溫度不等于0℃時，對被測溫度的準確性有著十分重要的影響。

用熱電偶測溫時，要使參考端溫度保持在0℃比較麻煩，一般只有在實驗室作精密測溫時才有必要。通常在工程測量中，參考端溫度大都處在室溫或波動的溫區，這時，要測出實際溫度。就必須采取修正或補償等措施。

2.3 熱輻射以及導熱誤差

熱輻射誤差主要是由熱電偶測量端與環境的輻射熱交換所引起的，而導熱誤差則是由于沿熱電偶長度存在溫度梯度，而測量端必然會沿熱電極導熱，使得指示溫度偏離實際溫度。

2.4 動態響應誤差

由于熱電偶的測量方式屬于接觸式，當熱電偶插入被測介質后，由于本身具有熱惰性，因此不能立即指示出被測氣流的溫度，其示值Ta將逐漸上升，一直到測量端吸熱，放熱達到動平衡后才達到穩定的示值Ta∞。在熱電偶插入后到示值穩定之前的整個不穩定過程中，熱電偶的瞬時示值T測與穩定后的示值T∞存在著偏差，這時熱電偶除了有各種穩定的誤差外，還存在有熱電偶熱惰性引入的偏差（即T測-T∞），這一偏差稱為動態響應誤差，用△T動表示。

△T動=T測-Ta∞=τdT測/dT

式中：τ――熱電偶的時間常數

為了簡化起見，以下討論時均假設沒有其它誤差因素的影響，即T∞= T氣，于是τdT測/dT +T測= T氣

如果被測溫度是不隨時間變化的穩態測量，只要熱電偶插入后經過足夠長的時間，待其示值穩定后再進行讀數，便可避免動態誤差的影響。

2.5 測量系統漏電引起的熱電偶測溫誤差

熱電偶測溫系統在使用過程中，會因為絕緣層損壞等原因造成系統漏電，導致熱電勢受到影響，使儀表的指示溫度與實際的溫度之間出現誤差，較嚴重的將導致測量系統的失靈。

2.6 劣化誤差

所謂熱電偶的劣化，即熱電偶經使用后，出現老化變質的現象。由金屬或合金構成的熱電偶，在高溫下其內部晶粒要逐漸長大。同時合金中含有少量雜質，其位置或形狀也將發生變化，而且，對周圍環境中的還原或氧化性氣體也要發生反應。伴隨上述變化，熱電偶的熱電動勢也將極其敏感地發生變化。因此熱電偶的劣化現象是不可避免的。

3.熱電阻溫度測量故障檢查處理思路

本著中間導體定律的原則，解決辦法之一就是把進入端子柜的補償導線直接接入DCS機柜，甩掉銅導線，取消第三種導體，這樣就解決了溫度不同的麻煩。但實際條件不能滿足這樣的改動，補償導線在施工時已經敷設完畢，導線長度已不能延長，且三個反應器共12點溫度，改動施工費用較高，種種原因都限制解決方案。通過分析，我們采用了最簡捷的解決方案，就是想辦法使兩個房間的溫度達到一致，就基本解決了因溫度不同而產生的誤差，辦法就是在房間1安裝一臺空調，調節空調溫度，使兩個房間機柜內的溫度保持一致，通過實驗，把溫度差控制在0.5℃之內是很容易辦到的。經過此方案的實施后，反應器的溫度已經正常，得到工藝技術人員的認可。

4.熱電偶實際應用時需注意的問題

4.1 安裝位置

熱電偶的安裝應盡可能靠近欲測的溫度控制點，使其測量端與被測介質充分接觸，遠離強磁場和強電場。

4.2 插入的深度

一般情況下，當采用金屬保護管時，插入深度應為其直徑的15～20倍；當采用非金屬保護管時，插入深度應為其直徑的10～15倍。

4.3 熱輻射作用

在熱電偶附近如果存在與其具有一定溫差的很大物體時，熱電偶將接受輻射能。

4.4 熱電偶補償導線

補償導線分為補償型和延伸型兩種，延伸型的導線也并不是用和熱電偶相同材質的金屬，一般采用和熱電偶具有相同電子密度的導線代替。

4.5 熱電偶冷端溫度補償方法

冷端溫度修正法、冷端0℃恒溫法、冷端溫度自動補償法（補償電橋法）。

5 結語

溫度是工業生產中重要的工藝參數，人們常常把溫度測量比喻成工業生產的脈搏，是因為它不僅關系到產品產量、質量與經濟效益，還關系到生產的安全。所以全面了解和掌握影響熱電偶測溫儀表準確性的各種因素是非常重要的。

參考文獻

[1]孫奎明.熱工自動化[M].北京：中國電力出版社，2005.

[2]葉江祺.熱工儀表和控制裝置的安裝（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2000.

[3]李鐵倉.熱工儀表與自動裝置[M].北京：中國電力出版社，2001.

（作者單位：中國能源建設集團東北電力第一工程有限公司）