熱電偶如何正確使用及如何減少測量誤差

摘要：熱電偶是一種*簡單﹑*普通的溫度傳感器。在使用時不注意，也會引起較大測量誤差。針對當前存在的問題，詳細探討影響測量誤差的主要因素：熱電偶插入深度﹑響應時間﹑熱輻射及熱阻抗等，指出熱電偶絲不均質﹑鎧裝熱電偶分流誤差﹑K型熱電偶的選擇性氧化﹑K狀態﹑使用氣氛﹑絕緣電阻及熱電偶劣化等在使用中應注意事項。對提高測量精度，延長熱電偶壽命，有一定幫助。

關鍵詞：響應時間； 熱輻射； 分流誤差； K狀態； 熱電偶劣化

1. 前言

    在現有的測溫系統中，*常用的溫度傳感器—熱電偶，因其結構簡單，往往被誤認為“熱電偶兩根線，接上就完事”，其實并非如此。熱電偶的結構雖然簡單，但在使用中仍然會出現各種問題。例如：安裝或使用方法不當，將會引起較大的測量誤差，甚至檢定合格的熱電偶也會因操作不當，在使用時不合格，在滲碳等還原性氣氛中，如果不注意，K型熱電偶也會因選擇性氧化而超差。

    為了提高測量精度，減少測量誤差，延長熱電偶使用壽命，要求使用者不僅應具備儀表方面的操作技能，而且還應具有物理、化學及材料等多方面知識。作者根據多年實踐，并參閱有關資料較詳細地介紹熱電偶的正確使用及測量誤差。

2．測量誤差的主要影響因素

1）插入深度的影響

接觸法測溫的基本原理是測溫元件要與被測對象達到熱平衡。因此，在測溫時需要保持一定時間，才能使兩者達到熱平衡。而保持時間的長短，同測溫元件的熱響應時間有關。而熱響應時間主要取決于傳感器的結構及測量條件，差別極大。對于氣體介質，尤其是靜止氣體，至少應保持30min以上才能達到平衡；對于液體而言，*快也要在5min以上。

    對于溫度不斷變化的被測場所，尤其是瞬間變化過程，全過程僅1秒鐘，則要求傳感器的響應時間在毫秒級。因此，普通的溫度傳感器不僅跟不上被測對象的溫度變化速度出現滯后，而且也會因達不到熱平衡而產生測量誤差。*好選擇響應快的傳感器。對熱電偶而言除保護管影響外，熱電偶的測量端直徑也是其主要因素，即偶絲越細，測量端直徑越小，其熱響應時間越短。測溫元件熱響應誤差可通過下式確定[1]。

Δθ=Δθ0exp（-t/τ）（2—1）

式中 t—測量時間S，

Δθ—在 t時刻，測溫元件引起的誤差，K或℃

Δθ0—“t=0” 時刻，測溫元件引起的誤差，K或℃

τ—時間常數S

e —— 自然對數的底（2.718）

因此，當t=τ時，則Δθ=Δθ0/e即為0.368，

如果當t=2τ時,則Δθ=Δθ0/e2即為0.135。

當被測對象的溫度,以一定的速度α(k/s或℃/s)上升或下降時,經過足夠的時間后,所產生的響應誤差可用下式表示：

Δθ∞=-ατ（2—2）

式中Δθ∞—經過足夠時間后，測溫元件引起的誤差。

    由式（2—2）可以看出，響應誤差與時間常數（τ）成正比，表1，2給出裝配式與鎧裝式熱電偶響應時間的實驗結果，可供參考[1]。為了提高檢定效率許多企業采用自動檢定裝置，對入廠熱電偶進行檢定，但是，該裝置也并非十分完善。二汽變速箱廠熱處理車間就發現如果在400℃點的恒溫時間不夠，達不到熱平衡，就容易發生誤判。

表1K型熱電偶響應時間

表2鎧裝熱電偶響應時間

    插入爐內用于測溫的熱電偶，將被高溫物體發出的熱輻射加熱。假定爐內氣體是透明的，而且，熱電偶與爐壁的溫差較大時，將因能量交換而產生測溫誤差。

在單位時間內，兩者交換的輻射能為P，可用下式表示：

P=σε（Tw4 - Tt4 ）（2—3）

式中σ—斯忒藩—波爾茲常數

ε—發射率

Tt—熱電偶的溫度 , K

Tw—爐壁的溫度 ,K

在單位時間內,熱電偶同周圍的氣體（溫度為T）,通過對流及熱傳導也將發生熱量交換的能量為P′

P′=αA（T-Tt）（2—4）

式中 α—熱導率

A— 熱電偶的表面積

在正常狀態下，P= P′，其誤差為：

Tt-T=σε（Tt4-Tw4）/α?。?—5）

對于單位面積而言其誤差為

Tt-T=σε（Tt4-Tw4）/α（2—6）

    因此，為了減少熱輻射誤差，應增大熱傳導，并使爐壁溫度Tw ，盡可能接近熱電偶的溫度Tt。另外，在安裝時還應注意：

    在高溫下使用的熱電偶，如果被測介質為氣態，那么保護管表面沉積的灰塵等將燒熔在表面上，使保護管的熱阻抗增大；如果被測介質是熔體，在使用過程中將有爐渣沉積，不僅增加了熱電偶的響應時間，而且還使指示溫度偏低。因此，除了定期檢定外，為了減少誤差，經常抽檢也是必要的。例如，進口銅熔煉爐，不僅安裝有連續測溫熱電偶，還配備消耗型熱電偶測溫裝置，用于及時校準連續測溫用熱電偶的準確度。