热电偶如何正确使用及如何减少测量误差

摘要：热电偶是一种最简单﹑最普通的温度传感器。在使用时不注意，也会引起较大测量误差。针对当前存在的问题，详细探讨影响测量误差的主要因素：热电偶插入深度﹑响应时间﹑热辐射及热阻抗等，指出热电偶丝不均质﹑铠装热电偶分流误差﹑K型热电偶的选择性氧化﹑K状态﹑使用气氛﹑绝缘电阻及热电偶劣化等在使用中应注意事项。对提高测量精度，延长热电偶寿命，有一定帮助。

关键词：响应时间； 热辐射； 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正确使用及测量误差。

2．测量误差的主要影响因素

1）插入深度的影响

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,以一定的速度α(k/s或℃/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：

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，表1，2给出装配式与铠装式热电偶响应时间的实验结果，可供参考[1]。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。

表1K型热电偶响应时间

表2铠装热电偶响应时间

    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：

    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，不仅安装有连续测温热电偶，还配备消耗型热电偶测温装置，用于及时校准连续测温用热电偶的准确度。