熱電偶測(cè)量誤差來源及解決方案

熱電偶是溫度測(cè)量?jī)x表中常用的測(cè)溫元件，它直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。熱電偶在測(cè)量中，會(huì)出現(xiàn)哪些誤差？如何解決？

熱電偶熱電特性不穩(wěn)定的影響

熱電偶在生產(chǎn)過程中，偶絲經(jīng)過多道縮徑拉伸在其表面總是受玷污的，同時(shí)，從偶絲的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，不可避免地存在應(yīng)力及晶格的不均勻性。因淬火或冷加工引入的應(yīng)力，可以通過退火的方法來基本消除，退火不合格所造成的誤差，可達(dá)十分之幾度到幾度。它與待測(cè)溫度及熱電偶電極上的溫度梯度大小有關(guān)。廉金屬熱電偶的偶絲通常以“退火”狀態(tài)交付使用，如果需要對(duì)高溫用廉金屬熱電偶進(jìn)行退火，那么退火溫度應(yīng)高于其使用溫度上限，插入深度也應(yīng)大于實(shí)際使用的深度。貴金屬熱電偶則必須認(rèn)真清洗（酸洗和四硼酸鈉清洗）和退火，以清除熱電偶的玷污與應(yīng)力。

不均勻性的影響

一般來說熱電偶若是由均質(zhì)導(dǎo)體制成的，則其熱電勢(shì)只與兩端的溫度有關(guān)，若熱電極材料不是均勻的，且熱電極又處于溫度梯度場(chǎng)中，則熱電偶會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加熱電勢(shì)，即“不均勻電勢(shì)”。其大小取決于沿?zé)犭姌O長(zhǎng)度的溫度梯度分布狀態(tài)，材料的不均勻形式和不均勻程度，以及熱電極在溫度場(chǎng)所處的位置。造成熱電極不均勻的主要原因有：在化學(xué)成分方面如雜質(zhì)分布不均勻，成分的偏析，熱電極表面局部的金屬揮發(fā)，氧化或某金屬元素選擇氧化，測(cè)量端在高溫一的熱擴(kuò)散，以及熱電偶在有害氣氛中受到玷污和腐蝕等。在物理狀態(tài)方面有應(yīng)力分布不均勻和電極結(jié)構(gòu)不均勻等。 在工業(yè)使用中，有時(shí)不均勻電勢(shì)引起的附加誤差竟達(dá)30℃這多，這將嚴(yán)重地影響熱電偶的穩(wěn)定性和互換性，其主要解決方式就是對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，只使用在誤差允許范圍內(nèi)的熱電偶。

熱電偶不穩(wěn)定性的影響

不穩(wěn)定性就是指熱電偶的分度值隨使用時(shí)間和使用條件的不同而起的變化。在大多數(shù)情況下，它可能是不準(zhǔn)確性的主要原因。影響不穩(wěn)定性的因素有：玷污，熱電極在高溫下?lián)]發(fā)，氧化和還原，脆化，輻射等。若分度值的變化相對(duì)地講是緩慢而又均勻的，這時(shí)經(jīng)常進(jìn)行監(jiān)督性校驗(yàn)或根據(jù)實(shí)際使用情況安排周期檢定，這樣可以減少不穩(wěn)定性引入的誤差。

參考端溫度影響及修正方法

熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)的大小與熱電極材料以及工作端的溫度有關(guān)。熱電偶的分度表和根據(jù)分度表刻度的溫度顯示儀表都是以熱電偶參考端溫度等于0℃為條件的。在實(shí)際使用熱電偶時(shí)，其冷端溫度（參考端） 不但不為0 ℃，而且往往是變化的，測(cè)溫儀表所測(cè)得的溫度值就會(huì)產(chǎn)生很大誤差，在這種情況下，我們通常采用如下方法來修正。

熱電勢(shì)補(bǔ)正法

由中間溫度定律可知，參考端溫度為tn時(shí)的熱電勢(shì)EAB（t,tn）＝EAB（t,t0）－EAB（tn,t0）。所以，用常溫下的溫度傳感器，只要測(cè)出參比端的溫度tn，然后從對(duì)應(yīng)電偶的分度表中查出對(duì)應(yīng)溫度下的熱電勢(shì)E（tn,t0），再將這個(gè)熱電勢(shì)與所實(shí)測(cè)的E（t,tn）代數(shù)相加，得出的結(jié)果就是熱電偶參比端溫度為0度時(shí)，對(duì)應(yīng)于測(cè)量端的溫度為t時(shí)的熱電勢(shì)E（t,t0）最后再從分度表中查得對(duì)應(yīng)于E（t,0）的溫度，這個(gè)溫度就是熱電偶測(cè)量端的實(shí)際溫度t。在計(jì)算機(jī)應(yīng)用日益廣泛的今天，可以利用軟件處理方法，特別是在多點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)或高溫測(cè)控中，采用這種方法，可很好的解決參比端溫度的變化問題，只要隨時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)出tn，就可以準(zhǔn)確得到測(cè)量端溫度。同時(shí)還充分應(yīng)用了對(duì)應(yīng)熱電偶的分度表，并對(duì)非線性誤差得到了校正，而且適應(yīng)各種熱電偶。

調(diào)儀表起始點(diǎn)法

由于儀表示值是EAB（tn,t0）對(duì)應(yīng)于熱電勢(shì)，如果在測(cè)量線路開路的情況下，將儀表的指針零位調(diào)定到tn處，就當(dāng)于事先給儀表加了一個(gè)電勢(shì)EAB（tn,t0），當(dāng)用閉合測(cè)量線路進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，由熱電偶輸入的熱電勢(shì)EAB（tn,t0）就與EAB（t,tn）疊加，其和正好等于EAB（t,t0）。因此對(duì)直讀式儀表采用調(diào)儀表起始點(diǎn)的方法十分簡(jiǎn)便。

補(bǔ)償導(dǎo)線

采用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的參考端延長(zhǎng)到溫度較恒定的地方，再進(jìn)行修正。從本質(zhì)上來說它并不能消除參考端溫度不為0℃時(shí)的影響，因此，還應(yīng)該與其它修正方法結(jié)合才能將補(bǔ)償導(dǎo)線與儀表連接處的溫度修正到0℃。此時(shí)參考端己變?yōu)橐粋€(gè)溫度不變或變化很小的新參考端。此時(shí)的熱電偶產(chǎn)生熱電勢(shì)己不受原參考端溫度變化影響， EAB （ T、T10 ） 是新參考端溫度T10 （不等于℃） ,且T10 為一常數(shù)時(shí)所測(cè)得熱電勢(shì)， TAB（ T、T10 ） 是參考端溫度T0 = 0 ℃時(shí)，工作端為T10時(shí)所測(cè)得熱電勢(shì)（熱電偶分度表中可查出） 。

使用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，不僅應(yīng)注意補(bǔ)償導(dǎo)線的極性，還應(yīng)特別注意不要錯(cuò)用補(bǔ)償導(dǎo)線，同時(shí)應(yīng)注意補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接處的兩端溫度保持相等，且溫度在0－100℃（或0－150℃）之間，否則要產(chǎn)生測(cè)量誤差。

參考端溫度補(bǔ)償器

補(bǔ)償器是一個(gè)不平衡電橋，電橋的3 個(gè)橋臂電阻是電阻溫度系數(shù)很小的錳銅絲繞制的。其阻值基本上不隨溫度變化而變化，并使R1 = R2 =R3 = 1Ω。另一個(gè)橋臂電阻Rt 是由電阻溫度系數(shù)較大的銅繞制而成，并使其在20 ℃時(shí)Rt = R1 =1Ω ,此時(shí)電橋平衡，沒有電壓輸出，當(dāng)電橋所處溫度發(fā)生變化時(shí)， Rt 的阻值也隨之改變，于是就有不平衡電壓輸出，此輸出電壓用來抵消參考端溫度變化所產(chǎn)生的熱電勢(shì)誤差，從而獲得補(bǔ)償。（注：我國(guó)也有以0℃作為平衡點(diǎn)溫度的）當(dāng)溫度達(dá)到40℃（即計(jì)算點(diǎn)溫度）時(shí)橋路的輸出電壓恰好補(bǔ)償了熱電偶參比端溫度偏離平衡點(diǎn)溫度而產(chǎn)生的熱電勢(shì)變化量。

對(duì)電子電位差計(jì)，其測(cè)量橋路本身就具有溫度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)墓δ?，使用時(shí)無需再調(diào)整儀表的溫度起始點(diǎn)。除了平衡點(diǎn)和計(jì)算點(diǎn)外，在其他各參比端溫度值時(shí)只能得到近似的補(bǔ)償，因此采用冷端補(bǔ)償器作為參比端溫度的處理方法會(huì)帶來一定的附加誤差。[!--empirenews.page--]

傳熱及熱電偶安裝的影響

由于熱電偶測(cè)溫是屬于接觸式測(cè)量，當(dāng)熱電偶插入被測(cè)介質(zhì)時(shí)，它要從被測(cè)介質(zhì)吸收熱量使自身溫度升高，同時(shí)又以熱輻射方式和熱傳導(dǎo)方式向溫度低的地方散發(fā)熱量，當(dāng)測(cè)量端各外散失的熱量等于自氣流中吸收的熱量時(shí)即達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)熱電偶達(dá)到了穩(wěn)定的示值，但并不代表氣流的真實(shí)溫度，因?yàn)闇y(cè)量端環(huán)境散失的熱量是由氣流的加熱來補(bǔ)償，也就是說測(cè)量端與氣流的熱交換處于不平衡狀態(tài)，因此，它們的溫度也不可能具有相同的數(shù)值。測(cè)量端與環(huán)境的傳熱愈強(qiáng)，測(cè)量端的溫度偏離氣流溫度也愈大。

熱輻射誤差

熱輻射誤差產(chǎn)生的原因是熱電偶測(cè)量端與環(huán)境的輻射熱交換所引起的，這是熱電偶與氣流之間的對(duì)流換熱不能達(dá)到熱平衡的結(jié)果。減少輻射誤差的辦法，一是加劇對(duì)流換熱，二是削弱輻射換熱。

具體方法有：

盡量減少器壁與測(cè)量端的溫差，即在管壁鋪設(shè)絕熱層；

在熱電偶工作端加屏蔽罩；

增大流體放熱系數(shù)，即增加流速，加強(qiáng)擾動(dòng)，減小偶絲直徑或使熱電極與氣流形成跨流等。

導(dǎo)熱誤差

在測(cè)量高溫氣流的溫度時(shí)，由于沿?zé)犭娕奸L(zhǎng)度存在溫度梯度，故測(cè)量端必然會(huì)沿?zé)犭姌O導(dǎo)熱，使得指示溫度偏離實(shí)際溫度。導(dǎo)熱量相差越多，相應(yīng)的誤差就越大，因此凡能加劇對(duì)流和削弱導(dǎo)熱的因素都可以用來減少導(dǎo)熱誤差。

具體方法有：

增加L/d；

將熱電偶垂直安裝改成斜裝或彎頭處安裝，安裝時(shí)應(yīng)注意使熱電偶的端對(duì)著氣流方向，并處在流速最大的位置上；

選用熱電偶和支桿導(dǎo)熱系數(shù)較小的材料。

測(cè)量系統(tǒng)漏電影響

絕緣不良是產(chǎn)生電流泄漏的主要原因，它對(duì)熱電偶的準(zhǔn)確度有很大的影響，能歪曲被測(cè)的熱電勢(shì)，使儀表顯示失真，甚至不能正常工作。漏電引起誤差是多方面的，例如，熱電極絕緣瓷管的絕緣電阻較差，使得熱電流旁路。若電測(cè)設(shè)備漏電，也能使工作電流旁路，使測(cè)量產(chǎn)生誤差。由于測(cè)量熱電勢(shì)的電位差計(jì)都是低電阻的，因此它對(duì)絕緣電阻的要求并不高，影響熱電勢(shì)測(cè)量的漏電主要是來處被測(cè)系統(tǒng)的高溫，因?yàn)闊犭娕急Ｗo(hù)管和熱電極的絕緣材料的絕緣電阻將隨著溫度升高而下降，我們通常所說的鎧裝熱電偶的“分流誤差”就屬這類情況。一般是采用接地或其它屏蔽方法。對(duì)鎧裝熱電偶的分流誤差我們通常是以增大其直徑；增加絕緣層厚度；縮短加熱帶長(zhǎng)度；降低熱電偶的電阻值等方法來降低誤差的。

動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差

熱電偶插入被測(cè)介質(zhì)后，由于本身具有熱惰性，因此不能立即指示出被測(cè)氣流的溫度，只有當(dāng)測(cè)量端吸、放熱達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后才達(dá)到穩(wěn)定的示值。在熱電偶插入后到示值穩(wěn)定之前的整個(gè)不穩(wěn)定過程中，熱電偶的瞬時(shí)示值與穩(wěn)定后的示值存在著偏差，這時(shí)熱電偶除了有各種穩(wěn)定的誤差外，還存在由熱電偶熱惰性引入的偏差，即動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差?？朔@類誤差的方法，一是確定動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差，予以修正；二是將動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差減少到允許要求的范圍之內(nèi)，此時(shí)可認(rèn)為T測(cè)＝T氣。

短程有序結(jié)構(gòu)變化（K狀態(tài)）的影響

K型熱電偶在250－600℃范圍內(nèi)使用時(shí)，由于其顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成短程有序結(jié)構(gòu)，因此將影響熱電勢(shì)值而產(chǎn)生誤差，這就是所謂的K狀態(tài)。這是Ni-Cr合金特有的晶格變化，當(dāng)WCr在5%－30%范圍內(nèi)存在著原子晶格從有序至無序?yàn)?。由些引起的誤差，因Cr含量及溫度的不同而變化。一般在800℃以上短時(shí)間熱處理，其熱電特性即可恢復(fù)。由于K狀態(tài)的存在，使K型熱電偶檢定規(guī)程中明文規(guī)定檢定順序：由低溫向高溫逐點(diǎn)升溫檢定。而且在400℃檢定點(diǎn)，不僅傳熱效果不佳，難以達(dá)到熱平衡，而且，又恰好處于K狀態(tài)誤差最大范圍。因此，對(duì)該點(diǎn)判定合格與否時(shí)應(yīng)很慎重。Ni-Cr合金短程有序結(jié)構(gòu)變化現(xiàn)象，不僅存在于K型，而且，在E型熱電偶正極中也有此現(xiàn)象。但是，作為變化量E型熱電偶僅為K型的2/3?？傊琄狀態(tài)與溫度、時(shí)間有關(guān)，當(dāng)溫度分布或熱電偶位置變化時(shí)，其偏差也會(huì)發(fā)生很大變化。故難以對(duì)偏差大小作出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。