熱電偶測(cè)溫誤差分析和解決方案點(diǎn)擊次數(shù)：268 發(fā)布時(shí)間：2014-8-3

摘　要：在現(xiàn)代化生產(chǎn)裝置里，普遍都使用熱電偶或熱電阻來測(cè)量溫度，與熱電阻相比，熱電偶作感溫元件具有測(cè)量溫度范圍廣，可以在-270℃到2800℃度的廣泛溫域內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，它具有性能穩(wěn)定，準(zhǔn)確可靠，另外還有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，熱慣性小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。因此在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛用熱電偶來測(cè)量溫度。熱電偶在雖然有以上優(yōu)點(diǎn)，在使用中會(huì)受到各種因素影響產(chǎn)生測(cè)量誤差。熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)中使用廣泛的接觸式測(cè)溫元件。熟悉其工作原理，掌握和分析測(cè)溫誤差的來源會(huì)在很大程度上提高溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。避免生產(chǎn)中不必要的損失出現(xiàn)。本文結(jié)合生產(chǎn)裝置一個(gè)溫度測(cè)量回路的介紹，分析了測(cè)量誤差產(chǎn)生的原因，提出解決的辦法，僅供參考。

一、熱電偶測(cè)溫基本原理
將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B連接起來，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，就構(gòu)成熱電偶。如圖1所示。溫度t端為感溫端稱為測(cè)量端，溫度t0端為連接儀表端稱為參比端或冷端，當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)t和t0之間存在溫差時(shí)，就在回路中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)EAB(t,t0), 因而在回路中形成電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。這個(gè)電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)，熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。熱電勢(shì)的大小與t和t0之差的大小有關(guān)，當(dāng)熱電偶的兩個(gè)熱電極材料已知時(shí)，由熱電偶回路熱電勢(shì)的分布理論知熱電偶兩端的熱電勢(shì)差可以用下式表示：
EAB(t,t0)＝EAB(t)－EAB(t0)
式中 EAB(t,t0)－熱電偶的熱電勢(shì)；
  EAB(t)－溫度為t時(shí)工作端的熱電勢(shì)；
  EAB(t0)－溫度為t0時(shí)冷端的熱電勢(shì)。
從上式可看出!當(dāng)工作端的被測(cè)介質(zhì)溫度發(fā)生變化時(shí)，熱電勢(shì)隨之發(fā)生變化，因此，只要測(cè)出EAB(t,t0)和知道EAB(t0)就可得到EAB(t)，將熱電勢(shì)送入顯示儀表進(jìn)行指示或記錄，或送入微機(jī)進(jìn)行處理，即可獲得測(cè)量端溫度t值。

二、使用誤差分析

1.絕緣變差而引入的誤差    熱電偶在使用一段時(shí)間后，保護(hù)管和接線板上的污垢或鹽渣過多致使熱電偶極間與爐壁間絕緣不良，在高溫下更為嚴(yán)重，這不僅會(huì)引起熱電勢(shì)的損耗而且還會(huì)引入干擾，由此引起的誤差有時(shí)可達(dá)上百攝氏度。
2.熱惰性引入的誤差    熱電偶測(cè)溫過程實(shí)際上是熱電偶與被測(cè)介質(zhì)間熱交換過程，需要一定的時(shí)間達(dá)到熱平衡，由于熱電偶的熱惰性使儀表的指示值落后于被測(cè)溫度的變化，在進(jìn)行快速測(cè)量時(shí)這種影響尤為突出。所以應(yīng)盡可能采用熱電極較細(xì)、保護(hù)管直徑較小的熱電偶。測(cè)溫環(huán)境許可時(shí)，甚至可將保護(hù)管取去。由于存在測(cè)量滯后，用熱電偶檢測(cè)出的溫度波動(dòng)的振幅較爐溫波動(dòng)的振幅小。測(cè)量滯后越大，熱電偶波動(dòng)的振幅就越小，與實(shí)際爐溫的差別也就越大。當(dāng)用時(shí)間常數(shù)大的熱電偶測(cè)溫或控溫時(shí)，儀表顯示的溫度雖然波動(dòng)很小，但實(shí)際爐溫的波動(dòng)可能很大。為了準(zhǔn)確的測(cè)量溫度，應(yīng)當(dāng)選擇時(shí)間常數(shù)小的熱電偶。時(shí)間常數(shù)與傳熱系數(shù)成反比，與熱電偶熱端的直徑、材料的密度及比熱成正比，如要減小時(shí)間常數(shù)，除增加傳熱系數(shù)以外，zui有效的辦法是盡量減小熱端的尺寸。使用中，通常采用導(dǎo)熱性能好的材料，管壁薄、內(nèi)徑小的保護(hù)套管,比如高靈敏度的鎧裝熱電偶，采用變徑技術(shù)的小惰性熱電偶產(chǎn)品。在較精密的溫度測(cè)量中，使用無保護(hù)套管的裸絲熱電偶，但熱電偶容易損壞，應(yīng)及時(shí)校正及更換。3.熱阻誤差    一些高溫爐使用煤炭或焦油作為燃料，時(shí)間一長(zhǎng)，保護(hù)管上就積有一層煤灰，焦炭塵埃附在上面，則熱阻增加，阻礙熱的傳導(dǎo)，這時(shí)溫度示值比被測(cè)溫度的真值低。因此，應(yīng)保持熱電偶保護(hù)管外部的清潔。三、熱電偶測(cè)溫儀表測(cè)量誤差主要來源有下面幾種情況1.熱電偶分度誤差    由于熱電倆的材料成分不能嚴(yán)格符合要求的復(fù)現(xiàn)及均勻性等原因，使熱電偶的熱電特性實(shí)際愉出電勢(shì)與標(biāo)準(zhǔn)分度稍有差別。2.由于補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶的熱電特性不*相同而帶來的誤差　　各種熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的允許誤差范圍如下:   　　  鉑佬—鉑熱電偶<O.03℃    　鎳格—鎳硅熱電偶<O.15℃    　鎳鉻—考銅熱電傭<0.15℃ 3.冷端溫度變化引起的誤差    冷端沮度補(bǔ)償如使用補(bǔ)償電橋，由于熱電偶電勢(shì)特性與補(bǔ)償電橋產(chǎn)生的電勢(shì)只能在設(shè)計(jì)點(diǎn)20℃或50℃得到*補(bǔ)償，其它溫度由于熱電偶特性的非線性，不能*吻合，會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。其它方法冷端補(bǔ)償，由于測(cè)盆或其它原因，也會(huì)帶來一定的誤差4.由于熱電極的變質(zhì)    如應(yīng)力分布，氧化等使出廠后的熱電偶性能發(fā)生變化而帶來的誤差。5.絕緣不良引起的誤差    在使用熱電偶時(shí)，應(yīng)注意兩熱電偶電極之間及它們與地之間的絕緣，否則會(huì)引起電勢(shì)降低影響測(cè)量度。

三、解決辦法
    1.熱電偶的基本誤差:誤差是熱電偶本身固有的，還包括上一極標(biāo)準(zhǔn)的傳遞誤差。解決方法：可采用檢定校驗(yàn)的方法使其控制在允許偏差范圍內(nèi)，也可在實(shí)際測(cè)溫中將熱電偶偏差進(jìn)行修正，得到的真實(shí)的溫度。

熱電偶材料不均勻性引起的誤差：此誤差和材料不均勻程度有關(guān)溫度變化越大，使熱電極各點(diǎn)溫度的差值越大，則材料不均勻性的影響也就越大。解決方法：可用退火的方法把它減弱，但無法*消除。

2.測(cè)量?jī)x表的誤差：該誤差的大小是由儀表的精度等級(jí)決定的。

解決方法：應(yīng)定期檢定效準(zhǔn)，保證儀表的度等級(jí)。

3.動(dòng)態(tài)誤差：溫度變化后，測(cè)溫儀表來不及立即指出變化了的溫度，因而引起讀數(shù)誤差。熱電偶時(shí)間常數(shù)的大小是決定動(dòng)態(tài)誤差大小的主要因素。

解決方法：對(duì)于快送變化的溫度，由于測(cè)溫元件的熱憜性，動(dòng)態(tài)誤差可能很大，必須采用小慣熱電偶或選取采樣數(shù)率較高的儀表解決。采用導(dǎo)熱性能好的材料做保護(hù)管，管壁要薄，內(nèi)徑要小。減小保護(hù)管與熱電偶測(cè)量端之間的空氣間隙。增加測(cè)量端介質(zhì)的流速，加快對(duì)流傳熱。

4.絕緣不良引起的誤差：熱電偶使用時(shí)兩熱電極間以及它們和大地之間應(yīng)有良好的絕緣，不然將會(huì)有熱電勢(shì)損耗，直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響儀表的正常運(yùn)行。

解決方法：把熱電偶的引線接在鐵管內(nèi)，并將鐵管接地。把熱電偶懸空，熱電偶不與爐壁的耐火磚接觸。把參考端接地，在熱電偶（或補(bǔ)償導(dǎo)線）輸出端的一端，通過一個(gè)容量足夠大的電容接地。用屏蔽的方法，可使泄漏的電流經(jīng)過金屬屏蔽物直接接地，不在流入測(cè)量回路，從而消除干擾誤差。

5.熱交換引起的誤差。熱電偶測(cè)溫時(shí)，存在著復(fù)雜的熱交換過程。由于溫度的多次傳遞，測(cè)量端的溫度并不與被測(cè)介質(zhì)溫度*一致，因此產(chǎn)生測(cè)量誤差?？朔椒ㄓ袃煞N：一是確定傳遞誤差的大小，進(jìn)行修正。二是采取措施，使傳熱誤差減小到允許范圍內(nèi)。

6.輻射誤差解決方法：在管壁外面敷設(shè)絕熱層，減小管壁與被測(cè)介質(zhì)的溫差。減小保護(hù)管的外徑以及保護(hù)管、熱電極的黑度(輻射)系數(shù)。在熱電偶管壁間加裝防輻射罩，以減小之間的直接輻射。增加被測(cè)介質(zhì)流經(jīng)熱電偶測(cè)量端的流速，增加對(duì)流傳熱。

7.安裝不正確引入的誤差：熱電偶的安裝是否正確合理，對(duì)測(cè)量結(jié)果有著重要影響。

解決方法：熱電偶處于能夠真正代表被測(cè)介質(zhì)溫度的地方。熱電偶應(yīng)有足夠的插入深度，一般不少于熱電偶保護(hù)管外徑的8～10倍。防止熱損失。保護(hù)管露外部應(yīng)盡可能短，并加保溫層。若被測(cè)介質(zhì)具有負(fù)壓，熱電偶安裝必須嚴(yán)格密封，以免外界冷空氣進(jìn)入影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。安裝地點(diǎn)，應(yīng)盡量避開其熱源、強(qiáng)磁場(chǎng)、電場(chǎng)的干擾。

8.現(xiàn)場(chǎng)使用引入的測(cè)量誤差。參考端溫度過高引入的測(cè)量誤差;參考端溫度過高的測(cè)量誤差分析; 因?yàn)檠a(bǔ)償導(dǎo)線在（0～100）℃范圍內(nèi)，補(bǔ)償導(dǎo)線熱電特性與熱電偶的熱電特性相同。超過此溫度范圍，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶熱電特性相差很大，從而造成測(cè)量誤差。

解決方法：熱電偶保護(hù)管與爐壁之間的空隙應(yīng)使用絕熱物堵塞，避免爐溫的熱輻射，使參考端保持在100℃以內(nèi)。

9.補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶接反引入的測(cè)量誤差;熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線極性接反測(cè)量誤差分析; 補(bǔ)償導(dǎo)線有正負(fù)之分，接反起不到補(bǔ)償作用，而且還會(huì)造成更大的誤差。根據(jù)中間溫度定律，如圖如果接法正確儀表接收到的熱電勢(shì)E總為：
E總=E(T,TA)＋E(TA, T0)　　　　　　﹙1﹚

如果補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶正負(fù)極接反，TA,和T0之間相當(dāng)于接入一個(gè)反向熱電勢(shì)，則儀表接收到的熱電勢(shì)E′總為：

E′總= E(T,TA)- E(TA, T0)　　　　　　﹙2﹚

上述兩種接法之差 △E總為：

E總= E總- E′總= E(T,TA)＋E(TA, T0) - E(T,TA)- E(TA, T0)

=2E(TA, T0)

補(bǔ)償導(dǎo)線接反所造成的誤差約為使用補(bǔ)償導(dǎo)線的兩倍的誤差。

解決方法：將補(bǔ)償導(dǎo)線正確連接。

9補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶型號(hào)不匹配引入的測(cè)量誤差;補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶型號(hào)不匹配引入的測(cè)量誤差分析; 補(bǔ)償導(dǎo)線在參考端溫度﹙0～100﹚℃范圍內(nèi)與所配熱電偶的熱電特性相同。﹙此間溫度所產(chǎn)生熱電勢(shì)各不相同﹚如圖

如果補(bǔ)償導(dǎo)線不匹配儀表總的熱電勢(shì)E′總為：

E′總= E1(T,TA)+E2(TA, T0)

假設(shè)把K型偶錯(cuò)接為N型補(bǔ)償導(dǎo)線E1，E2分別為偶和補(bǔ)償導(dǎo)線。

E1(T,TA)＝E′總－E2(TA, T0)

可得出補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶型號(hào)不符將帶來較大的測(cè)量誤差。

解決方法：使用與熱電偶熱電特性相同補(bǔ)償導(dǎo)線連接。

10.不使用補(bǔ)償導(dǎo)線引入的測(cè)量誤差; 不使用補(bǔ)償導(dǎo)線引入的溫度測(cè)量誤差分析：根據(jù)均質(zhì)導(dǎo)體和中間溫度定律。（同性質(zhì)導(dǎo)體相接不能產(chǎn)生熱電勢(shì)）如圖

公式為:E(T, T0)=E(T , TA)+E(TA, T0)

因不用補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶熱電勢(shì)E(T, TA)=E(TA , TO)。

E′總=　E(T, T0) ； E (T, T0)=E(TA , TO)

解決方法：用同型號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶相連。
四、結(jié)束語(yǔ)
熱電偶測(cè)溫誤差除上述原因之外，還有其他因素也能影響測(cè)量，比如補(bǔ)償導(dǎo)線的極性的影響，參考端溫度的影響，顯示儀表或DCS本身的影響等等，從維護(hù)角度看，只要介質(zhì)溫度不是很高，應(yīng)盡量使用熱電阻來測(cè)量溫度，因?yàn)闊犭娮璨簧婕把a(bǔ)償導(dǎo)線和冷端補(bǔ)償問題，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便易懂，投資與施工費(fèi)用低等等。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)測(cè)溫元件選型也很關(guān)鍵?？傊?，無論采用什么測(cè)溫元件，能正確掌握熱電偶測(cè)溫原理，準(zhǔn)確分析誤差產(chǎn)生的根源，對(duì)于儀表維護(hù)人員來說*。