关于热电偶温度计量问题的探讨

孙岩

【摘 要】本文基于热电偶测温原理，对热电偶的分类进行简要介绍。同时对温度计量中使用的热电偶自动检定系统进行简单分析，提到在对热电偶进行检定或校准时需要注意的几点问题，以实现对热电偶更加精准的温度计量，从而减小在量值传递中的误差影响。

【关键词】热电偶 ；温度计量；误差

中图分类号： TH811 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）15-0006-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.15.003

温度是反映物体冷热程度的物理量，广泛而又频繁地出现在各类工业生产和科学研究等领域，对于如何实现各种情况下对温度的精准测量，一直是研究人员探索的问题。目前常应用的测温方法主要有接触式测温和非接触式测温两种方法[1]。接触式测温是将温度传感探头与被测物体置于同一热平衡状态中，采用直接接触的方式传递信号，实现对被测物体的温度检测。非接触式测温是依据热辐射原理，测温元件不需要与被测物体直接接触而是依靠物体表面热辐射强度与温度的关系实现温度检测。热电偶测温作为一种接触式测温方法，具有结构简单，测温范围广，易于安装实现，响应速度快等优点，被广泛应用于各种测温领域。

1 热电偶测温原理

热电偶基于导体的热电效应而完成温度检测，具体原理为将两种不同的金属导体（或半导体）材料构成如下图所示的基本结构。其中导体（或半导体）材料A和B称为热电极，两种材料焊接在一起的一端T1称为工作端（或测量端），与被测物体接触或介入被测温度区域进行感温，未直接焊接在一起的另一端T2称为冷端（或参考端），基于中间导体定律可利用连接导线引入测量仪表完成热电偶的闭合回路[2]。当T1端与T2端存在温度差△T时，回路中就会产生热电势，从而形成热电流。产生的热电势只与热电极A、B的材质和热电偶两端的温度差△T有关，与热电极其它性质无关。在热电极材料不变的情况下，回路中热电势与△T具有固定函数关系，同时呈正相关关系[3]。因此若保持T2端温度恒定，即可根据热电势大小得到被测区域温度信息，通过测量仪表便可输出温度显示。

2 热电偶分类及其特性

按照构成热电偶的热电极A、B材料的不同将热电偶分为不同分度号，实现不同的测温需求。国际上将热电偶分为标准化和非标准化两类，标准化热电偶具有统一规定的标准分度表以及允许误差要求，非标准化热电偶没有上述要求，主要根据实际特殊应用选择热电极材料来实现测温需求[4]。目前国际电工委员会（IEC）规定的标准热电偶有八种（我国国家标准与其统一），根据热电极材料的价值特点将分度号为S、R、B的热电偶称为贵金属热电偶，分度号为K、N、E、J、T的热电偶称为廉金属热电偶。

实际应用中，对热电偶的选择需要考虑多种因素影响，例如应用场合、测温范围、响应时间、连接点类型等。目前工业中常用到也是计量检定中经常遇到的热电偶为分度号K、分度号E、分度号T热电偶。K型（镍铬-镍硅）热电偶具有性能稳定、抗氧化性强、价格便宜等特点，可长期使用于（0～1000）℃测温区域，工业中应用最为普遍；E型（镍铬-铜镍）热电偶其热电势大，灵敏度高，适用于高湿氧化环境，适合（0～800）℃测温区域使用，极限工作温度为1000℃；T型（铜-铜镍）热电偶在廉金属热电偶中其精度最高，适用于300℃以下测温区域。此外，S型热电偶由于在热电偶中精确度等级最高，因此在计量检定中通常作为标准偶使用以校准廉金属热电偶，同时其在工业应用场合中可长期使用于1400℃温度环境，极限工作温度为1600℃。

3 热电偶自动检定系统

目前实验室对热电偶的检定或校准一般采用热电偶自动检定系统，节约人力的同时可以节省时间、减小测量误差、避免人为误操作造成的影响。目前应用的热电偶自动检定系统为ZRJ智能化热工仪表检定系统，整个系统由热电偶检定炉、控温仪表、低电势扫描器/控制器、数字万用表、计算机和打印机组成，通过配套的上位机软件将各部分组成网络系统，系统组成框图如图2所示。

对热电偶的检定或校准采用的是规程中提到的比较测温法，大致流程为升温控温、数据采集和数据处理。将被检偶和标准偶绑定好后放入热电偶检定炉中，然后在上位机设置中输入被检偶信息，启动测温系统进行升温，达到相应规程中所要求的测量稳定性判定后，数字万用表通过转换开关读取标准偶和被检偶的热电势值，通过上位机软件进行数据采集及处理，得到被检偶示值误差，完成热电偶的校准或进一步与规程中的允许误差要求进行对比，判断合格与否完成热电偶的检定。以校准K型2级热电偶为例，得到的上位机记录结果显示界面如下图所示。

4 计量过程中需注意的问题

（1）热电偶的绑定

在进行热电偶检定或校准之前，应按照检定或校准规程中的要求对热电偶进行外观检查，例如《JJF 1637-2017廉金属热电偶校准规范》中第7.2条规定的热电偶的外观检查方法[5]。按照热电偶結构形式的不同可将其分为装配型、铠装型和表面型。装配型热电偶在其热电极之间用绝缘管（如瓷珠）进行了隔离并在外部配有保护套管以保护热电极不受腐蚀和损伤。铠装热电偶是将金属套管、绝缘材料和偶丝一起经过加工形成统一体，其测量端部最后被焊接成光滑球状结构；表面型热电偶将两种热电极材料蒸镀在绝缘基底上，用来测量物体表面温度[6]。因此在进行被检偶与标准偶的绑定时，装配热电偶应尽量除去保护套管的影响，使热电偶可以快速响应温度变化，铠装偶可以直接与标准偶进行绑定。同时需注意进行廉偶校准时，标准偶一般应套上保护套管以防止测量端被污染。

被检偶与标准偶进行绑定时要求其各自测量端处于同一个径向截面上，才能用比较法进行温度测量。以实验室所用热电偶检定炉为例，其温场为在横向位置（-20～20）mm范围内，任意两点间温差小于1℃，在径向Ф28 mm范围内，任意两点间温差小于1℃。因此若被检偶与标准偶的测量端在径向截面上有所偏差，就会受到检定炉横向温场的影响，同时绑定时也要考虑检定炉径向温场，热电偶的绑定是否合格也是热电偶计量误差的来源之一。在建立热电偶与自动检定系统之间的绑定连接时还应注意，标准偶与被检偶在与系统信号传输线进行连接时应采用同一种绝缘材料的连接线，避免数据采集时的信号干扰。

（2）冷端补偿

在上文热电偶测温原理中提到需要知道热电偶冷端温度才能进一步得到测量端温度信息。一般实验中用到的冷端补偿方法有冰点法和冷端温度修正法。冰点法是将被检偶和标准偶的冷端置于冰水混合物或者零度恒温器中，保证冷端处于0℃恒定状态，，直接测得工作端热电势即可。冷端温度修正法为通过放置在冷端处的外接传感器直接測得冷端温度信息，再将冷端温度信息加入到测量数据处理当中，实现冷端温度补偿。目前使用的热电偶自动检定系统可以实现冰点法和冷端温度修正法两种方法，但在条件允许的情况下应尽量使用冰点法，减小因冷端补偿而引起的测量误差。

在计量检定或校准中当某些被检偶由于长度问题其冷端不满足与标准偶冷端处于同一恒温状态时，需要对被检偶连接补偿导线。补偿导线只起到转移冷端的作用，并不起到上文中提到的冷端温度补偿的作用。连接补偿导线时，需要注意补偿导线的型号需要与被检偶分度号一致，同时补偿导线与被检偶正负极端口的连接点温度应相同[7]。规程中对补偿导线的使用温度范围和允许偏差也做了相应要求，因此补偿导线也需进行计量检定或校准后才可使用。在工业应用中，补偿导线可以作为图1中热电偶与测量仪表之间的连接导线使用。

5 结论

本文对热电偶的测温原理及热电偶分类进行了简要阐述，介绍了使用的热电偶自动检定系统的组成结构，熟悉热电偶在检定或校准过程中的数据采集流程。同时也提到在热电偶温度计量中需要注意的问题，以实现对热电偶进行更加精准的温度计量，对减小在量值传递中的误差影响具有一定意义。

【参考文献】

[1]刘浩.浅谈热电偶测温原理及应用[J].科技与企业，2014，（2）： 258-258.

[2]孔睿迅，杨生国，胡庆宏.热电偶测温问题探讨[J].日用电器， 2007，（12）：43-46.

[3]石学伟.热电偶测温原理及线性化处理[J].电子世界，2013， （12）：87-88.

[4]黄少良.热电偶与红外测温方法比较研究[J].电子质量， 2008，（6）：91-93.

[5]JJF 1637-2017，廉金属热电偶校准规范[S].

[6]刘翼.不同外形结构热电偶的响应时间及应用工况分析[J]. 轻工科技，2016，（9）：59-60.

[7]王忠伟.带补偿导线热电偶测温时的误差分析和修正方法[J].工业计量，2008，（6）：34-36.