热电偶测温误差修正技术的现状及发展趋势

摘 要：一直以来，温度都是工业生产过程中的重要参数。温度测量的精度将会直接影响产品的品质。随着工业生产技术的快速发展，对测量温度的精度提出了更高的要求。热电偶作为一种使用最为广泛的测温元件，其测温精度也应随之提高。本文阐述了热电偶误差修正技术的现状，并对其发展趋势进行了简要分析。

关键词：热电偶；误差修正；测温精度；冷端补偿

中图分类号：TP212.11 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）05-0072-02

温度在工业控制中是个很重要的参数，特别是在冶金、化工等领域，对温度的测量精度要求都较高。热电偶凭借其精度高、测量范围宽、成本低廉等优点，成为工业生产过程中测量温度的重要元件。然而热电偶在测温过程中总是存在这样或那样的误差，严重影响测温精度，所以对热电偶测温误差修正的研究有着重要意义。本文介绍了热电偶测温修正技术的现状，并对其发展趋势做了简要分析。

1 热电偶测温原理简介

把两种不同材料的导体或半导体（如：镍铬-镍硅）两端对接，组成一个回路，这个回路就叫做热电偶。组成热电偶的导体称为热电极。工业生产的热电偶一般为一端焊接，另一端分别连接到配套仪表两端。焊接端插入到被测介质中，称为热端或工作端，另一端为冷端或自由端。根据赛贝尔效应，当热电偶两端温度不同时，回路中就会产生一个电动势，形成电流，把产生的电信号传输到仪表里，就可以达到测温的目的。如图1所示。

热电偶回路中的电动势只与热电极材料和两端温度有关，与热电偶形状尺寸等无关。对于材料已知的热电偶，其电动势只与温度有关，根据中间温度定律热电偶测温误差修正技术的现状及发展趋势

窦洋

（厦门大学航空航天学院，福建厦门 361005）

摘 要：一直以来，温度都是工业生产过程中的重要参数。温度测量的精度将会直接影响产品的品质。随着工业生产技术的快速发展，对测量温度的精度提出了更高的要求。热电偶作为一种使用最为广泛的测温元件，其测温精度也应随之提高。本文阐述了热电偶误差修正技术的现状，并对其发展趋势进行了简要分析。

关键词：热电偶；误差修正；测温精度；冷端补偿

中图分类号：TP212.11 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）05-0072-02

其中，为电动势大小，可从显示仪表中读出；，分别为热端和冷端的电动势，可由对应材料的分度表查得。由此就可以通过电动势确定被测介质的温度。

2 热电偶误差来源分析

在温度测量中，热电偶的应用极为广泛。它直接和被测对象接触，不受介质影响，所以精度较高[1]；测量范围广，常用的热电偶测温范围可达到-50～+1600℃，某些特殊的热电偶最低可测-296℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）[2]；结构简单、制造方便、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。但是，热电偶测温也存在一定的误差，从而影响测温精度。热电偶误差来源主要有以下几种：

（1）冷端温度不稳定，导致回路热电势变化，产生误差；

（2）热电偶热端与冷端温度不同，两者之间存在导热，产生误差；

（3）熱电偶节点与被测介质、周围环境之间存在热辐射，导致能量交换，产生误差；

（4）热电偶回路热电势与温度之间存在非线性，产生误差。

由于上述4种不同类型误差的存在，使得热电偶测温精度变低。当测温误差较大时，不仅会导致工业生产效率降低、产品达不到生产要求，还可能会导致设备运行不正常，甚至导致安全事故的发生。所以，热电偶测温误差的修正是相当重要且必不可少的。

3 热电偶误差修正技术现状

由于热电偶测温的诸多优点，使得热电偶在测温领域应用极为广泛。同样地，研究热电偶误差修正的学者甚多，使得热电偶测温误差修正技术快速发展，测温误差越来越小，精度越来越高。

对于（1）类误差，最常用的方法有两种：一是把冷端置于恒温槽中；二是在热电偶测温回路中增加冷端温度补偿电桥；现在的研究主要集中在补偿电路的设计上。比如，吉林工业大学的张诗荣等[3]应用温度电流传感器AD590，设计出了一种高精度热电偶冷端补偿电路。金荣泰等[4]利用晶体三极管的随温度变化的特点，设计了一种热电偶冷端补偿电路。

对于（2）、（3）类误差，研究多集中在数值模拟分析方面。根据模拟结果，采取相应措施，以减少误差。如徐顺生等[5]详细分析了热电偶节点与被测介质、被测环境之间的热辐射，提出了给热电偶带遮热套并对其进行高速抽气等减小误差的措施，取得了较好的效果。

相比上述3种误差，（4）类误差研究相对较少。研究多集中在数值方法上。如王建萍[6]提出了一种热电偶非线性校正法（分段偏移法）。通过对热电偶分度表求反函数，然后用分段偏移算法对非线性进行补偿，取得了较好的效果。

当然，热电偶测温误差还有其他的来源，同样能对测温精度产生影响。如热电偶响应时间、热电偶插入被测介质的深度等[7]对测温的影响。这些影响虽然较小，但对于测温精度要求较高的情况是不可忽略的，可以适当加以分析。

4 热电偶误差修正技术发展趋势

热电偶被用来测温的时间较早，经过几十年的发展，热电偶误差修正技术日臻成熟，测温精度也已经达到了一个很高的水平。但是，要满足快速发展的工业生产的要求，热电偶测温修正技术也应跟上其步伐。

4.1 软件化

根据上文介绍，热电偶节点与被测介质、环境温度之间存在辐射，热电偶冷热端之间存在热传导。这些由于辐射、热传导所导致的误差很难用传统的方法计算出来，一般都是估计或直接忽略，导致热电偶测温精度降低。随着CFD（计算流体动力学）技术的快速发展，其慢慢被应用到热电偶辐射、热传导的计算中，可以对上述误差计算出较为准确的数值，使得热电偶测温精度又上升了一个台阶。一个好的CFD模型和求解算法，会得到更为精确的结果。可见，以后的研究重点将会转移到如何进行CFD建模和优化求解算法方面上来。

4.2 自动化

现代工业生产中，效率是衡量企业核心竞争力的一个重要因素。这就要求企业设备更加简单化、自动化。对于工业生产，温度往往作为一个控制参数参与生产过程，这就需要热电偶能快速的测出精确的温度，以保证后续生产过程的顺利进行。所以，热电偶测温误差修正技术不能再对各类误差单独分析，需要同时考虑各种误差并能快速显示出更加精确的温度。这就需要一种新的热电偶测温误差修正技术，它尽可能的考虑更多的误差因素并能合理考虑各因素的权值，测出满足工业生产精度要求的温度。

4.3 智能化

工业生产中，测温环境多种多样，不仅使得热电偶测温误差来源不同，而且各类误差权重也存在较大差异。所以，单一的热电偶已不能同时满足各类生产过程的测温要求。如果根据不同的测温环境，生产相对应的热电偶，无异大大增加了生产成本。如果能有一种可以根据测温环境自动变换测温模式的热电偶，就能完美的解决上述问题。这种误差修正技术不仅大大提高了热电偶的通用性，而且降低了生产成本，使得热电偶更容易校正和维修。结合当下热门的云计算、人工智能等技术，相信更加智能的热电偶误差修正技术能被较快的研究出来，使得热电偶更加智能化，测温更加精确。

5 结语

随着电路电子、计算机、互联网技术的快速发展，热电偶测温误差修正技术得到了较快的发展。热电偶误差修正技术也在向着更严谨、更实用的方向发展，未来更将使得热电偶测温更加稳定，实現小型化、智能化。这也要求我们必须要不断研究、总结热电偶误差修正技术，发现未知的误差来源并对此提出解决方法。总之，随着工业生产对产品品质要求的提高，对测温精度提出了更高的要求，同样热电偶误差修正技术也面临着更严峻的考验。

参考文献

[1]陈浩，邓忠华，余红梅.热电偶测温系统原理及应用[J].制造业自动化，2004，26（9）：68-71.

[2]张春明，肖燕红.热电偶测温原理及应用[J].攀枝花科技与信息，2009（3）：58-62.

[3]张诗荣，王殿方.一种高精度热电偶冷端补偿电路的设计[J].电测与仪表，1994（9）：35-37.

[4]金荣泰，许昌.热电偶冷端补偿电路的一种设计方法[J].仪表技术，2000（1）：43-44.

[5]徐顺生，时章明，杨刚，王达科.基于传热原理的热电偶测温误差模型及应用[J].传感器与微系统，2006，25（5）：15-18.

[6]王建萍.一种新的热电偶测温非线性校正法-分段偏移法[J].计量技术，1998（11）：17-20.

[7]王淑英.对热电偶测温误差的分析[J].科学咨询：决策管理，2009（1）：69-69.