热电偶测量误差及其注意事项

关键词：测量误差； 注意事项；分流误差； K状态； 热电偶劣化

 
1. 前言
        在现有的测温系统中，最常用的温度传感器—热电偶，因其结构简单，往往被误认为“热电偶两根线，接上就完事”，其实并非如此。 热电偶的结构虽然简单，但在使用中仍然会出现各种问题。例如：安装或使用方法不当，将会引起较大的测量误差，甚至检定合格的热电偶也会因操作不当，在使用时不合格，在渗碳等还原性气氛中，如果不注意，K型热电偶也会因选择性氧化而超差。

        为了提高测量精度，减少测量误差，延长热电偶使用寿命，要求使用者不仅应具备仪表方面的操作技能，而且还应具有物理、化学及材料等多方面知识。作者根据多年实践，并参阅有关资料较详细地介绍热电偶的测量误差及其注意事项。

 
2．测量误差的主要影响因素
2．1插入深度的影响
（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。测温点的位置，对于生产工艺过程而言，一定要具有典型性、代表性，否则将失去测量与控制的意义。

（2）插入深度
        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是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，将不受上述限制，插入深度可以浅一些，具体数值应由实验确定。

2．2响应时间的影响
        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。而保持时间的长短，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30min以上才能达到平衡；对于液体而言，最快也要在5min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。因此，普通的温度传感器不仅跟不上被测对象的温度变化速度出现滞后，而且也会因达不到热平衡而产生测量误差。最好选择响应快的传感器。对热电偶而言除保护管影响外，热电偶的测量端直径也是其主要因素，即偶丝越细，测量端直径越小，其热响应时间越短。测温元件热响应误差可通过下式确定 [1]。
         Δθ=Δθ0exp（-t/τ）                                 （2—1）
         式中 t—测量时间  S，
         Δθ—在 t  时刻，测温元件引起的误差，K或℃
         Δθ0—“t=0” 时刻，测温元件引起的误差，K或℃
         τ—时间常数 S
         e —自然对数的底（2.718）
        因此，当t=τ时，则Δθ=Δθ0/e   即为0.368，
        如果当t=2τ时,则Δθ=Δθ0/e2  即为0.135。
        当被测对象的温度℃/s)上升或下降时,经过足够的时间后,所产生的响应误差可用下式表示：,以一定的速度α(k/s或
        Δθ∞=-ατ                                          （2—2）
        式中   Δθ∞—经过足够时间后，测温元件引起的误差。

        由式（2—2）可以看出，响应误差与时间常数（τ）成正比。为了提高检定效率许多企业采用自动检定装置，对入厂热电偶进行检定，但是，该装置也并非十分完善。二汽变速箱厂热处理车间就发现如果在400℃点的恒温时间不够，达不到热平衡，就容易发生误判。

2．3热辐射的影响
        插入炉内用于测温的热电偶，将被高温物体发出的热辐射加热。假定炉内气体是透明的，而且，热电偶与炉壁的温差较大时，将因能量交换而产生测温误差。
        在单位时间内，两者交换的辐射能为P，可用下式表示：
        P=σε（Tw4 - Tt4  ）                             （2—3）
        式中  σ—斯忒藩—波尔兹常数
        ε—发射率
        Tt—热电偶的温度 , K
        Tw—炉壁的温度 ,  K
        在单位时间内,热电偶同周围的气体（温度为T）,通过对流及热传导也将发生热量交换的能量为P′
        P′=αA（T-Tt）                                （2—4）
        式中 α—热导率
        A— 热电偶的表面积
        在正常状态下，P= P′，其误差为：
        Tt-T=σε（Tt4-Tw4）/αА                          （2—5）
        对于单位面积而言其误差为
        Tt-T=σε（Tt4-Tw4）/α                           （2—6）
        因此，为了减少热辐射误差，应增大热传导，并使炉壁温度Tw ，尽可能接近热电偶的温度Tt。另外，在安装时还应注意：
        ① 热电偶安装位置，应尽可能避开从固体发出的热辐射，使其不能辐射到热电偶表面；
        ② 热电偶最好带有热辐射遮蔽套。

2．4热阻抗增加的影响
        在高温下使用的热电偶，如果被测介质为气态，那么保护管表面沉积的灰尘等将烧熔在表面上，使保护管的热阻抗增大；如果被测介质是熔体，在使用过程中将有炉渣沉积，不仅增加了热电偶的响应时间，而且还使指示温度偏低。因此，除了定期检定外，为了减少误差，经常抽检也是必要的。例如，进口铜熔炼炉，不仅安<