热电偶试验系统误差的纠正方法

热电偶试验系统误差的纠正方法

关雨君

天津华电北宸分布式能源有限公司  天津市  300400

摘要：工业生产中对温度的控制非常普遍，利用热电偶的电子元件制成电测温度仪表是一种常用的方法。热电偶温度计能直接测量温度，并把温度信号转换成电信号，通过电气仪表将被测物体温度转换为指针信号或数字信号。因生产发展的需要，有些领域需要用到极低温度（低于-40℃）或者极高温度（超过800℃），这些温度范围都让普通温度计望尘莫及。而且有的工业领域对温控系统的精准度也有一定的要求，甚至要精确到小数点后几位。随着材料科学的发展，热电偶温度计具有精度高（可达10-3℃）、可测范围广（从-180℃到+2000℃）等优点，这是酒精或水银温度计不具备的。因此，热电偶广泛应用于工业电测温控系统中，对于这类基于热电偶的测量仪表，标定热电偶热电势随温度的变化特性关系非常必要。但是在实际标定测量中，不可避免地会产生误差，因此适当的误差分析方法在电测与仪表的设计中非常重要。

关键词：热电偶；试验系统误差；纠正方法；

引言

热电偶作为一般的热电传感器，已经广泛应用于温度测量。热电偶的主要工作机制是将温度变化转换为电势变化，以测量的热电效应为基础。在实际工作中，热电偶具有结构简单、制造方便、测量方便等优点，因此该方法已成为计量检定的重要组成部分。但是，由于热电偶本身的特性和操作过程中的潜在危险，热电偶测量可能存在直接影响结果输出和适用性确定的错误。因此，对热电偶测量结果影响因素的研究有助于进一步研究热电偶测量误差的原因，有助于检查和纠正可能的原因，有助于改善整个测量过程，提高工作效率，提高测量水平和精度。

一、热电偶与温差电效应

热电偶的测温原理来自于塞贝克效应。1821年，Seebeck发现：将两种不同成分的金属导体连接在一起，形成闭合电路，如果两端有温度差，电路中会产生电流，这种效应称为塞贝克效应。该电流与温度有关，相应产生的电势差后来就成为热电势。热电势的大小与温度差有关。随着材料科学的不断发展，利用塞贝克效应，在某温度下通过电压表读出相应的热电势，相当于把测量的温度转换成电压值记录下来，然后通过标定出热电偶热电势与温度的关系，就知道需要表征的温度。图1给出了由两种不同成分的金属导电丝A和B构成的热电偶示意图。通过点焊技术，将A、B导电丝的两个端点相互连接，构成一个闭合电路。如果将两端点分别置于不同的温度T1和T2，由于塞贝克效应，电路回路中会产生热电动势，也称为温差电动势。

热电动势的大小除了和A、B导电丝的两个端点的温度有关以外，还与A、B导电丝的自身材料有关。塞贝克效应虽然在很早就被发现，但是一直没有得到广泛的应用，关键原因是材料科学的发展尚未跟上。随着材料科学的发展，可用于热电偶的铂铑、镍铬、铜镍等合金材料相继出现，用于特殊环境温度下的热电偶也不断出现。根据所用材料种类的不同，热电偶的种类主要有S、R、B、N、K、E、J、T等。不同分度的热电偶适用范围略有不同，本试验采用所有热电偶中使用最广泛的K分度号热电偶，其特点是抗氧化性能强，长期使用温度1000℃，短期1200℃。

二、热电特性不稳定的影响

（一）不均匀性的影响

热电偶的“不均匀电位”直接影响温度测量结果。热传导均匀性是指热传导电极材料的均匀性。如果两个热电偶是均匀的，那么根据相关理论，热能与两端的温度有关，而与热电偶长度方向的温度分布无关。如果两个热电偶的材料不均匀，当热电偶处于温度梯度场时，热电偶会产生额外的热电势，称为不均匀电势，影响热电偶电路的总热电功率。因此，“非均匀电势”的存在会改变热电偶的热电特性，从而降低温度测量的精度。不均匀的原因:热电极不均匀的原因很多，分为化学成分和物理状态两个方面。另一方面，化学成分1的杂质分布不均匀，成分被隔离。原因不可避免。它复盖了热电戏的整个长度。②热电极表面金属的局部挥发和氧化。③部分热电极元件的选择性氧化。④高温下测量任务的长期热扩散会改变测量任务附近的化学成分。⑤环境大气、绝缘材料和保护管材料造成的热能和电能的局部污染和腐蚀。另一方面，物理状态如下:①由于电压分布不均匀，热电电极的热电特性在长度上不一致。②热电能的不均匀晶体结构和晶粒尺寸也影响热电性能。

（二）参考端温度的影响

参考终端温度是影响测量结果的重要因素。热电偶的热电势与热电电极材料和工作团的温度直接相关。热电偶刻度和刻度对应的温度指示计由热电偶参考端的温度0℃确定。也就是说，如果基准温度不等于0℃，则测量的温度不变，但热电势也取决于参考段的温度。

（三）测量系统的影响

(1)动态响应错误。动态响应误差是指热传导的热惯性在显示过程中引起动态误差。热电偶本身是热惰性的，因此在热电偶插入测试环境后，测量的温度不能立即显示出来。个体值逐渐升高，直到测量侧吸热热达到动态平衡。将出现稳定的指示值。因此，在热传导插入稳定整体不稳定性的过程中，瞬时和稳定热电偶标记之间存在明显的总偏差误差。此时，结果除了其他与稳定性有关的错误外，还有热电偶热惯性引起的偏差，使仪器显示值滞后(2)测量系统泄漏的影响。绝缘不良是漏电的主要原因，也是影响热电偶测温精度的关键因素之一。系统中测得的泄漏能量可能会扭曲测得的热电，扭曲仪器显示，甚至不能正常工作。特别是，由泄漏引起的误差表现在许多方面，其中最重要的是由绝缘体的高温性能下降引起的高温泄漏。

（四）响应时间的影响

热电偶热响应时间常数是测试介质温度发生变化时达到测试介质实际温度63.2%所需的时间。事实证明，时间常数越小，热惯性越小，动态误差越小，响应越快。为了使实际工作中测量的温度接近测量的温度，温度热电偶的温度必须保持一定的时间，以便达到测量点和热平衡。这样才能正式读取或收集温度值。热反应时间是指示热电偶反应速度的特性参数，主要取决于热电偶的结构、大小、材料和测量条件。如果测试的介质是静态气体，当测试的介质从20℃到400℃时，通常需要保温约15分钟才能达到平衡。如果测试的介质是液体，为了达到平衡，通常需要保温5分钟以上。

（五）热辐射的影响

使用热电偶测量炉温时，炉内高温物体发出的热辐射引起热传导加热。热电偶与炉壁温差较大时，热电偶测量误差可能由热交换引起。为了减少热辐射对测量的影响，通常采用热传导和气对流，使热电偶温度尽可能接近炉壁温度。安装热电偶时，应远离可能产生热辐射的固体，并且可以安装热辐射屏蔽膜来屏蔽热电偶。

（六）热电偶安装方式

热电偶通常水平、垂直和倾斜安装。①对于水平安装，灰尘、氧化物和其他杂质容易堆积在热电偶保护带的表面。使用时不经常清洗，不仅影响测量响应时间，而且使测量结果变小，降低动态性能。②立式装置是最大限度地减少灰尘、氧化物等杂质积累、防止外界因素干扰、最大限度地提高测量精度和动态性能、测量热电偶温度的首选安装方法。③测量管道内流体温度时，装置经常倾斜，最好以45度角安装。在炉上用热电偶测量温度时，热电偶与安装孔之间的间隙应采用绝缘材料如石棉带或耐火泥浆密封，以减少炉内外空气对流造成的误差，提高测量精度。

结束语

在标定热电偶的温度特性试验中，由于热电势随温度变化有延迟效应导致产生系统误差，测量结果与理论参考值有偏差。改进试验以后，分别测一次升降和降温过程的热电动势并求平均值，其测量结果与参考理论值一致。说明利用正延迟和负延迟相互抵消的改进方法，可以尽可能地消除由于延迟性导致的系统误差。该方法对标定现代电测温控系统及仪表中的热电偶温度特性有一定的应用。

参考文献

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