熱電偶溫度計量的誤差原因與處置技術措施

文/王昕

1 熱電偶的測溫條件及技術優勢

溫度是工業生產中的重要測控參數之一，熱電偶以其自身所具備的諸多特點，在工業溫度測量中得到廣泛應用。所謂的熱電偶具體是指能夠用于直接測量溫度的測溫元件，可對溫度信號進行轉換，使其變成熱電動勢信號，經電氣儀表，則可轉換成被測介質的實際溫度。

1.1 測溫條件

熱電偶歸屬于一次儀表的范疇，是一種能夠直接對溫度進行測量的感溫元件，通常是由兩種成分不同的導體構成的閉合回路。因導體的材質不同，當電子擴散達到穩定均衡之后，便會產生電動勢，若是兩端存在梯度溫度，則回路中便會有電流產生，并且還產生出熱電動勢，而電流的大小主要與溫度差有關，即溫度差越大電流越大。當測得熱電動勢后，便可獲悉具體的溫度數值。從本質的角度上講，熱電偶是可以將熱能轉換為電能的能量轉換裝置。

1.2 技術優勢

熱電偶作為一種溫度測量裝置，之所以能夠在工業生產中得到廣泛應用，與其自身所具備的諸多技術優勢有著密不可分的關聯。熱電偶的技術優勢體現在如下幾個方面：一是這種裝置本身具有非常寬的測量范圍，其整體性能相對比較穩定；二是熱電偶在溫度測量方面的精確度較高，由于測溫的過程中，裝置是與被測對象直接接觸，因此，并不會受到中間介質的影響；三是熱電偶熱響應時間比較快，從而使其對溫度變化的反應十分靈活；四是熱電偶能夠從-40℃到+1600℃的區間范圍進行連續測溫；五是熱電偶的結構簡單，機械強度高，使用壽命長，安全可靠。

2 熱電偶溫度計量的誤差原因及處置技術措施

在工業生產中，應用熱電偶對溫度進行測量的過程中，有時會存在計量誤差，這在一定程度上影響了測溫結果的準確性。為此，應當對誤差的產生原因進行分析，并采取合理可行的技術措施進行處置。

2.1 安裝與傳熱原因引起的計量誤差

通過上文的測溫條件分析可知，熱電偶在進行溫度測量時，需要直接與被測對象接觸，換言之，使用熱電偶進行溫度測量，必將其插入到被測介質當中，這樣才能使熱電偶從被測介質中吸收熱量，從而使自身的溫度升高，并以熱輻射與熱傳導的方式，向低溫區散發熱量。而在測量端各處散失的熱量與氣流吸收的熱量達到平衡時，熱電偶才能準確測量出介質的溫度，并對數值進行顯示。需要指出的一點是，這個溫度并不是氣流的真實溫度，因為測量過程中散失掉的熱量是通過氣流加熱進行補償，氣流與熱電偶的測量端之間在進行熱交換時，處于一種不平衡的狀態，所以二者的溫度也并不相同。實踐表明，熱電偶測量端與外界環境之間的傳熱越強，測量端與氣流之間的溫度偏差就越大。

2.1.1 熱輻射誤差的處置技術措施

由于測量端與外界環境之間存在輻射熱交換的情況，因此，會引起熱輻射誤差，主要成因是對流換熱無法達到熱平衡。針對該問題，可以通過削弱輻射換熱和加劇對流換熱的方法，進行解決處理。具體做法如下：可在管壁上鋪設絕熱層，以此來降低管壁與熱電偶測量端之間的溫差，或是在熱電偶的工作段外部加裝一個屏蔽罩；可通過增加流體的流速或是加強擾動，來增大流體的放熱系數；減小熱電偶絲的直徑，使熱電偶的熱電極與氣流之間形成跨流，這樣也能解決熱輻射引起的誤差問題。

2.1.2 導熱誤差的處置技術措施

使用熱電偶對溫度較高的氣流進行測量時，因沿著熱電偶長度存在溫度梯度，所以，會使測量端沿熱電極導熱，從而導致指示溫度與實際溫度出現偏離，實踐表明，導熱量差的越多，誤差就越大。對于此類誤差，可以采取加劇對流或是削弱導熱等措施進行解決處理，具體做法如下：可以適當增加長徑比，并將熱電偶從原本的垂直安裝，改成傾斜安裝，或是安裝在彎頭位置處，在實際安裝的過程中，必須保證熱電偶的測量端與氣流方向相對，并且要處于流速最大的部位。在選用熱電偶時，可以選擇導熱系數小的材料。

2.2 熱電特性不穩定引起的計量誤差

2.2.1 污穢與應力

通過對熱電偶的生產工藝流程進行分析后發現，對偶絲進行加工的過程中，通常需要經過多道的縮徑拉伸，由此不可避免地會使偶絲表面粘上一些污穢的物質。同時，在不斷地縮徑拉伸中，偶絲的內部結構會出現不均勻的應力，雖然淬火處理時引入的應力可以通過退火進行消除，但若是退火質量不達標，則會造成計量誤差，其范圍從十分之幾度到幾度不等，這個誤差主要與熱電極的溫度梯度大小有關。市面上常見的廉金屬熱電偶的偶絲在經過退火處理后，便會交付使用，若是采用較高的溫度對此類熱電偶進行退火則必須保證退火的溫度高于使用溫度上限，并且插入深度也要大于使用深度，這樣才能有效避免計量誤差的產生。此外，如果是貴金屬熱電偶，則應當在生產時，采用四硼酸鈉進行清洗，以此來消除偶絲表面粘附的污穢及應力，從而避免計量誤差的產生。

2.2.2 不均勻性

如果熱電偶采用均質的導體制作而成，那么其熱電勢主要與兩端的溫度有關，若是制作熱電極的材料為非均質，則會使熱電偶產生不均勻電勢，而熱電極長度的溫度梯度分布情況決定了這個不均勻電勢的大小，并且材料本身的不均勻程度也與不均勻電勢的大小有一定關聯。實踐表明，不均勻電勢引起的計量誤差可以達到30℃左右，因此，為避免這一問題引起的計量溫差，應當選用均質導體對熱電偶進行制作，并在使用前進行檢驗，確保誤差在允許范圍以內方可使用。

2.3 參考端溫度引起的計量誤差

熱電極是熱電偶的重要組成部分之一，加工制作熱電極時選用的材料，與熱電偶的熱電動勢大小有著非常密切的關聯。在應用熱電偶對溫度進行測量的過程中發現，參考端的溫度并不會始終保持在0℃，而是會不斷地會發生變化，這樣一來便會使儀表測得的溫度值出現誤差。針對這一問題，可以采取如下技術措施進行解決處理：

2.3.1 對熱電動勢進行補正

根據中間溫度定律，熱電偶的參考端溫度為tn時，其熱電動勢EAB（t，tn）=EAB（t，t0）-EAB（tn，t0）。基于這一前提，在常溫條件下，通過溫度傳感器對參比端的溫度tn進行測出，再從應電偶分度表中查出對應溫度下的熱電動勢E，并將之與實測的代數進行相加，便可得到對應測量端溫度為t時的熱電動勢，隨后可從分度表查得對應的溫度，便能夠得到實際溫度。以往這種方法必須以人工查表的方式來完成，過程顯得有些繁瑣，效率不高。而隨著計算機的普及應用，整個補正過程完全可以通過應用軟件來實現，簡化了流程，提高了效率，尤其是多點測量時，這種方法的運用，能夠使參比端的溫度變化問題得到有效解決。只要保證測出的tn準確，便可獲得準確可靠的測量端溫度，基本不會產生計量誤差。

2.3.2 調整起始點

熱電偶的溫度示值通常與熱電動勢相對應，若是測量線路處于開路的狀態，可將熱電偶指針從零位調整到tn處，這樣便相當于預先為其增加一個電勢。如果測量線路為閉合狀態，熱電偶輸出的熱電動勢則會疊加，其和便是實際的測量溫度。通過調整起始點的方法是避免誤差產生的有效途徑之一，該方法的特點是簡單易行。

2.3.3 補償器補償

可以利用補償器對熱電偶參考端的溫度進行補償，以此來消除計量誤差。補償器是一個不平衡的電橋，其三個橋臂的電阻全部采用錳銅絲以燒制的方法加工而成，因這種材料的溫度系數較小，所以其阻值并不會隨著溫度變化。當電橋處于平衡狀態時，不會有任何的電壓輸出，如果電橋所處的溫度出現變化，那么橋臂電阻的阻值則會發生改變，此時會輸出不平衡的電壓，這部分電壓則可抵消熱電偶參考端溫度變化引起的熱電動勢誤差，從而達到補償的目的。需要注意的是，因電子電位差計的測量橋路自帶溫度補償功能，所以在應用其進行溫度測量時，不用調整至起始點。

3 結論

綜上所述，熱電偶在使用過程中，由于受到各種因素的影響，常常會出現計量誤差，由此導致溫度測量結果的準確性大幅度降低。為此，應當對引起計量誤差的主要原因進行分析，并采取合理可行的方法和技術措施，對誤差問題進行解決處理，從而最大限度地降低誤差的產生幾率，提高熱電偶溫度計量結果的準確性。