热电偶温度计量误差分析

秦涛

摘 要：在现有的测温系统中，热电偶作为最常用的温度传感器，虽然简单，但在使用中却常会出现各种问题。为了提高测量精度，减少测量误差，延长热电偶使用寿命，要求使用者应具备仪表方面的操作技能，以及物理、化学及材料等多方面知识。

关键词：热电偶；冷端温度；误差分析；

导言：在现代化生产装置里，普遍都使用热电偶或热电阻来测量温度，与热電阻相比，热电偶结构较复杂，使用条件苛刻。

一、热电偶的测温基本原理

温度测量的方式一般分为接触式测量和非接触式两大类，由于温度参数的特殊性，使其无法通过直接方式获取，而必须要利用一些物理特性与温度之间有着特定函数关系的物质来进行间接的测量获取。

从温度测量的方式来看，热电偶属于接触式测温，热电偶测温元件进行温度测量的基本原理是元件材料的热电效应，具体来说，就是将电子密度不同的两种金属导体首尾相接组成闭合回路，当回路两端的温度不同时，在回路中就会产生热电动势，形成热电流，这样就可将温度信号转换为电压信号以便于测量。利用热电偶进行温度测量具有准确度较高、动态响应快等特点，同时热电偶测温范围相对较广，信号可以远距离传送，这也使热电偶测温装置能够好更好地实现集中监测以及自动控制。然而热电偶测温元件的精度在实际的使用过程中会受到一系列因素的影响，结合热电偶测温的基本原理，并通过技术手段对热电偶测温误差原因进行分析，将能够有效的控制测温误差的出现，提高热电偶测温的精度。

二、热电偶温度计量误差分析

1.装配误差

1.1测温点的选择

热电偶的安装位置，即测温点的选择是最重要的，选择测温点时应具有典型性、代表性，否则将失去测量与控制的意义。

1.2插入深度的控制

热电偶插入被测场所时，沿着传感器的长度方向将产生热流。当环境温度低时就会有热损失，致使热电偶与被测对象的温度不一致而产生测温误差。总之，由热传导而引起的误差，与插入深度有关。而插入深度又与保护管材质有关。金属保护管因其导热性能好，其插入深度应该深一些（约为直径的15―20倍）；陶瓷材料绝热性能好，可插入浅一些（约为直径的10―15倍）。对于工程测温，其插入深度还与测量对象静止或流动等状态有关，如流动的液体或高速气流温度的测量，就不受上述限制。

2.测量误差

2.1参考端温度没有得到完全补偿而引入的误差

参考段温度保持在0℃当然最好，实际测温时，参考端不可能是0℃，但是可以采用恒温器、补偿电桥或补偿导线等方法来设法恒定在某一温度下。

2.2补偿导线使用不当引入的误差

使用补偿导线时，一定要注意选择与热电偶相匹配的导线，一定要注意补偿导线的正负极与热电偶的正负极相连接。

2.3 测量仪表与测量电路电阻变化引起的误差

测量仪表的精度等级高低是决定测量误差大小的因素之一，仪表精度等级的选择要从测温所要求的准确度和整个测温系统的匹配问题，否则会引起测温误差。

3.动态响应误差

接触法测温的基本原理是测温元件要与被测对象达到热平衡。因此，在测温时需要保持一定时间，才能使两者达到热平衡。保持时间的长短同测温元件的热响应时间有关，而热响应时间主要取决于传感器的结构及测量条件，差别极大。对于气体介质，尤其是静止气体，至少应保持30秒钟以上才能达到平衡；对于液体而言，最快也要在5秒钟以上。

对于温度不断变化的被测场所，尤其是瞬间变化过程，全过程仅1秒钟，则要求传感器的响应时间在毫秒级。最好选择响应快的传感器。滞后时间不仅决定于热电偶材料的导热系数，热偶接点的表面积、容积、热容量，还决定于被测介质的热容量和导热系数以及介质（流体）本身的流动情况。

热电偶测温时，与被测介质之间的热交换主要是对流传热，通过对流体传热使热偶接点吸热温度升高。对流传热的大小决定于介质温度与热偶接点温度之差和热偶接点与被测介质接触的面积大小，即：如果忽略热偶接点温度对周围环境的辐射和沿热电偶导线的导热损失而产生放热，则热偶接点吸收的热量转变为接点的温度变化。

式中T -T=ΔT称为热电偶的动态响应误差，τ称为滞后时间或时间常数，从上式中可以看出，热电偶的时间常数τ不仅取决于热偶接点材料性质和结构参数（如热偶接点的比热容、密度、体积），还随被测介质工作状况的不同而变化（如传热系数和热偶接点被介质包围的面积）。故不同的工作状况就有不同的τ值。如果被测温度不是稳定值，而是随时间迅速变化，要能反映出某瞬时的真实温度，这就要求热电偶的动态响应要高，即时间常数要小。具体措施如下：

①减小热偶接点体积。接点体积的减小，热容量也随之减小，而且传热系数α随之增大。

②增大热偶接点与被测介质接触的表面积A。对于相同体积的接点，若将球形压成扁平状，体积不变而表面积增大了，这样就可减小时间常数。

三、热电偶正确使用方法

由以上分析可以看出，热电偶的测量误差不仅和其自身的物理性能有关，还与其使用方法是否正确有关。

1.热电偶应选择合适的安装地点。将热电偶装于温度较均匀且能代表工作温度地方，热电偶原参考端尽量避免温度过高。

2.热电偶插人温场深度要适合，一般不应小于200mm热电偶保护管与炉壁之间的空隙，须用耐火泥堵塞，以免空气对流影响测温准确性。

3.贵金属热电偶，不能在还原气体中测温。

4.在小直径管道中安装热电偶时，热电偶工作端一般迎着热流方向，在大直径管道中安装热电偶时，热电偶应垂直管壁。

5.热电偶应尽可能保持垂直使用，以防保护管在高温下变形。若需水平安装时，插人深度不应大于500mm，露出部分应采用架子托牢，并在使用一段时间后，将其旋转180°。

四、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個很高的水平。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。

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。

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。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。

3.智能化

工业生产中，测温环境多种多样。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。

结语

通过以上分析可以使我们对以热电偶为感温元件的温度计量误差情况有了系统认识，得出了对热电偶的不稳定性、不均匀性、参考端温度变化以及热电偶安装使用不当都可以引起测量误差，还使我们了解到要想提高温度测量的准确应从哪些方面考虑问题，这些都是对我们今后的温度计量工作十分有益的。

参考文献

[1]付慧敏.浅谈热电偶传感器的选用方法[J].产业与科技论坛，2012（12）.

[2]吴万奋.快速热电偶测温误差综述.中国测量技术，2016，（6）

（作者单位：襄阳市计量检定测试所）