热电偶温度计量的误差原因及处置技术研究

刘涛

中国特种飞行器研究所试验与计量中心 湖北荆门 448000

温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些其他物理特征来间接表述，不能直接测量。测温的方式可以分为接触式测量和非接触式测量。非接触式测量指的是测量过程中，传感器不与被测物体直接接触，而是利用物体的辐射能量随温度的变化情况来检测。接触式测量指的是传感器与被测量物体直接接触，感受到物体的温度变化。

1 热电效应

受热物体中的电子，会随温度梯度从高温区向低温区移动，进而产生电流或电荷堆积，这种现象称为热电效应。热电偶基于的原理就是热电效应。热电偶的两个连接点中，其中一点置于温度场中用来测量温度，此为热端，另一端为参考端，称为冷端。冷端与测量仪表相连。如果热端和冷端存在温差，测量仪表就可以测量出热端被测介质的温度。热电势的大小是随着温度变化而变化的。当构成热电偶的材料均匀时，热电势的大小仅和材料的成分，以及冷端热端的温差有关。与热电偶电极的几何尺寸无关。测量中通常要求冷端温度恒定，此时热电势是被测温度T的单值函数。

2 技术优势

热电偶作为温度测量装置，可以广泛用于工业生产，因此，它与自己拥有的多种技术优势有着密不可分的关系。热电偶的技术优势体现在以下几个方面:一是该设备本身具有很宽的测量范围，整体性能相对稳定。二是热电偶在温度测量上准确度高。在温度测量过程中，设备与被测量对象直接接触，因此不受中间介质的影响。第三，热电偶热响应时间比较快，对温度变化反应非常灵活。第四，热电偶可以在-40℃到+1600℃的区间范围内进行连续温度测量。第五，热电偶结构简单，机械强度高，寿命长，安全可靠[1]。

3 计量误差产生原因

（1）安装、传热，因为热电偶在使用时，会被直接插入到被测介质之中，所以其安装合理性以及传热性能等，均会对温度测量结果精准性产生直接影响。当两者温度存在明显差异时，便会产生计量误差。

（2）热电动势，作为热电偶重要组成，热电极加工所选用材料，和热电动势大小有着极为紧密的联系。在运用热电偶实施温度测量时，参考端会处于不断变化的状态，并不会始终保持在同一数值，所以在运用仪表展开温度数值测量过程中，很容易会产生误差。

（3）动态响应，动态响应问题指的是，在热电偶进入到被测介质之后，指示响应时间过长，严重超出标准时间的状况。在实施测量过程中，如果无法保持热电偶和被测物质温度变化的同步，便会引发动态响应问题，会造成测量数值出现严重偏差[2]。

4 热电偶热电势的组成

（1）两导体的接触电势，两导体的密度不一样时，这两种导体之间就会互相扩散自由电子，当然，密度大的向密度小的扩散的自由电子比密度小的向密度大的扩散的自由电子数多。所以，最后相当于密度大的失去电子，所以就带正电，密度小的得到电子，所以就带负电。因此就在两种导体接触点的位置上产生电动势，因为这个电势在两导体的接触点处，把它叫做两导体的接触电势。记为EA（BT）。E为电动势，A，B为热电偶的两个电极，T为结点处的温度。A为高电位，B为低电位。如果导体的密度存在一定的差异时，就会在两导体相接触的地方形成两导体的接触电势。两导体的接触电势的数值与两导体接触点处的温度高低有关，温度越高两导体的接触电势就越大，规定低电位指向高电位的方向是接触电动势的方向。由于测温热电偶的回路中有两个相接触的点就会在两个接触点处形成电势，所以测温热电偶的回路中存在两个接触电势。

（2）单一导体的温差电势，当导体两端的温度不同时，假设T大于T0。单一导体热度高的与热度低的之间就会存在互相扩散电子的现象。当然，温度高的扩散的多，温度低的扩散的少。最终导致热度高的端逸失了一些电子，所以热度高的就带正电，热度低的端就得到了一些电子，所以热度低的端就带负电。这样就在导体的两端产生了温差电势。当导体的两个端部存有热度差值的时候，就会在单一导体的两头形成温差电动势。单一导体的温差电势的大小和该导体的密度之间有一定的关系，单一导体的温差电势的方向：规定是从低温端指向高温端。由于测温热电偶闭合回路中含有两种不一样的导体，所以测温热电偶回路中就存在两个温差电势[3]。

5 补偿导线使用时注意的问题

使用热电偶测量和验证热处理设备，确保部件或原材料的热处理符合相关热处理工艺规范，合理选择，正确安装热电偶，根据实际情况采取必要的温度补偿措施，减少误差，提高准确度，确保检测到的温度正确，有效防止热电偶损坏，节约系统运行成本，保证温度测量质量。各种补偿导线只能与该模型的热电偶一起使用。校正电线和热电偶的热电特性超过了规定的温度范围，可能会发生测量误差。补偿导线与热电偶材料的热电特性不完全相同，因此两种连接的两个触点温度必须相同，否则引入测量误差。为了方便安装，可以选择多种补偿接线，也可以根据需要选择包含防水、防腐、防火、屏蔽的补偿接线。

6 结语

热电偶在使用中受多种因素的影响，经常发生测量误差，这大大降低了温度测量结果的准确度。为此，必须分析测量误差的主要原因，采取解决误差问题的合理可行的方法和技术措施，将出错的可能性降到最低，提高热电偶测温结果的准确性。