热电偶温度计量的误差原因与处置技术措施

文/王昕

1 热电偶的测温条件及技术优势

温度是工业生产中的重要测控参数之一，热电偶以其自身所具备的诸多特点，在工业温度测量中得到广泛应用。所谓的热电偶具体是指能够用于直接测量温度的测温元件，可对温度信号进行转换，使其变成热电动势信号，经电气仪表，则可转换成被测介质的实际温度。

1.1 测温条件

热电偶归属于一次仪表的范畴，是一种能够直接对温度进行测量的感温元件，通常是由两种成分不同的导体构成的闭合回路。因导体的材质不同，当电子扩散达到稳定均衡之后，便会产生电动势，若是两端存在梯度温度，则回路中便会有电流产生，并且还产生出热电动势，而电流的大小主要与温度差有关，即温度差越大电流越大。当测得热电动势后，便可获悉具体的温度数值。从本质的角度上讲，热电偶是可以将热能转换为电能的能量转换装置。

1.2 技术优势

热电偶作为一种温度测量装置，之所以能够在工业生产中得到广泛应用，与其自身所具备的诸多技术优势有着密不可分的关联。热电偶的技术优势体现在如下几个方面：一是这种装置本身具有非常宽的测量范围，其整体性能相对比较稳定；二是热电偶在温度测量方面的精确度较高，由于测温的过程中，装置是与被测对象直接接触，因此，并不会受到中间介质的影响；三是热电偶热响应时间比较快，从而使其对温度变化的反应十分灵活；四是热电偶能够从-40℃到+1600℃的区间范围进行连续测温；五是热电偶的结构简单，机械强度高，使用寿命长，安全可靠。

2 热电偶温度计量的误差原因及处置技术措施

在工业生产中，应用热电偶对温度进行测量的过程中，有时会存在计量误差，这在一定程度上影响了测温结果的准确性。为此，应当对误差的产生原因进行分析，并采取合理可行的技术措施进行处置。

2.1 安装与传热原因引起的计量误差

通过上文的测温条件分析可知，热电偶在进行温度测量时，需要直接与被测对象接触，换言之，使用热电偶进行温度测量，必将其插入到被测介质当中，这样才能使热电偶从被测介质中吸收热量，从而使自身的温度升高，并以热辐射与热传导的方式，向低温区散发热量。而在测量端各处散失的热量与气流吸收的热量达到平衡时，热电偶才能准确测量出介质的温度，并对数值进行显示。需要指出的一点是，这个温度并不是气流的真实温度，因为测量过程中散失掉的热量是通过气流加热进行补偿，气流与热电偶的测量端之间在进行热交换时，处于一种不平衡的状态，所以二者的温度也并不相同。实践表明，热电偶测量端与外界环境之间的传热越强，测量端与气流之间的温度偏差就越大。

2.1.1 热辐射误差的处置技术措施

由于测量端与外界环境之间存在辐射热交换的情况，因此，会引起热辐射误差，主要成因是对流换热无法达到热平衡。针对该问题，可以通过削弱辐射换热和加剧对流换热的方法，进行解决处理。具体做法如下：可在管壁上铺设绝热层，以此来降低管壁与热电偶测量端之间的温差，或是在热电偶的工作段外部加装一个屏蔽罩；可通过增加流体的流速或是加强扰动，来增大流体的放热系数；减小热电偶丝的直径，使热电偶的热电极与气流之间形成跨流，这样也能解决热辐射引起的误差问题。

2.1.2 导热误差的处置技术措施

使用热电偶对温度较高的气流进行测量时，因沿着热电偶长度存在温度梯度，所以，会使测量端沿热电极导热，从而导致指示温度与实际温度出现偏离，实践表明，导热量差的越多，误差就越大。对于此类误差，可以采取加剧对流或是削弱导热等措施进行解决处理，具体做法如下：可以适当增加长径比，并将热电偶从原本的垂直安装，改成倾斜安装，或是安装在弯头位置处，在实际安装的过程中，必须保证热电偶的测量端与气流方向相对，并且要处于流速最大的部位。在选用热电偶时，可以选择导热系数小的材料。

2.2 热电特性不稳定引起的计量误差

2.2.1 污秽与应力

通过对热电偶的生产工艺流程进行分析后发现，对偶丝进行加工的过程中，通常需要经过多道的缩径拉伸，由此不可避免地会使偶丝表面粘上一些污秽的物质。同时，在不断地缩径拉伸中，偶丝的内部结构会出现不均匀的应力，虽然淬火处理时引入的应力可以通过退火进行消除，但若是退火质量不达标，则会造成计量误差，其范围从十分之几度到几度不等，这个误差主要与热电极的温度梯度大小有关。市面上常见的廉金属热电偶的偶丝在经过退火处理后，便会交付使用，若是采用较高的温度对此类热电偶进行退火则必须保证退火的温度高于使用温度上限，并且插入深度也要大于使用深度，这样才能有效避免计量误差的产生。此外，如果是贵金属热电偶，则应当在生产时，采用四硼酸钠进行清洗，以此来消除偶丝表面粘附的污秽及应力，从而避免计量误差的产生。

2.2.2 不均匀性

如果热电偶采用均质的导体制作而成，那么其热电势主要与两端的温度有关，若是制作热电极的材料为非均质，则会使热电偶产生不均匀电势，而热电极长度的温度梯度分布情况决定了这个不均匀电势的大小，并且材料本身的不均匀程度也与不均匀电势的大小有一定关联。实践表明，不均匀电势引起的计量误差可以达到30℃左右，因此，为避免这一问题引起的计量温差，应当选用均质导体对热电偶进行制作，并在使用前进行检验，确保误差在允许范围以内方可使用。

2.3 参考端温度引起的计量误差

热电极是热电偶的重要组成部分之一，加工制作热电极时选用的材料，与热电偶的热电动势大小有着非常密切的关联。在应用热电偶对温度进行测量的过程中发现，参考端的温度并不会始终保持在0℃，而是会不断地会发生变化，这样一来便会使仪表测得的温度值出现误差。针对这一问题，可以采取如下技术措施进行解决处理：

2.3.1 对热电动势进行补正

根据中间温度定律，热电偶的参考端温度为tn时，其热电动势EAB（t，tn）=EAB（t，t0）-EAB（tn，t0）。基于这一前提，在常温条件下，通过温度传感器对参比端的温度tn进行测出，再从应电偶分度表中查出对应温度下的热电动势E，并将之与实测的代数进行相加，便可得到对应测量端温度为t时的热电动势，随后可从分度表查得对应的温度，便能够得到实际温度。以往这种方法必须以人工查表的方式来完成，过程显得有些繁琐，效率不高。而随着计算机的普及应用，整个补正过程完全可以通过应用软件来实现，简化了流程，提高了效率，尤其是多点测量时，这种方法的运用，能够使参比端的温度变化问题得到有效解决。只要保证测出的tn准确，便可获得准确可靠的测量端温度，基本不会产生计量误差。

2.3.2 调整起始点

热电偶的温度示值通常与热电动势相对应，若是测量线路处于开路的状态，可将热电偶指针从零位调整到tn处，这样便相当于预先为其增加一个电势。如果测量线路为闭合状态，热电偶输出的热电动势则会叠加，其和便是实际的测量温度。通过调整起始点的方法是避免误差产生的有效途径之一，该方法的特点是简单易行。

2.3.3 补偿器补偿

可以利用补偿器对热电偶参考端的温度进行补偿，以此来消除计量误差。补偿器是一个不平衡的电桥，其三个桥臂的电阻全部采用锰铜丝以烧制的方法加工而成，因这种材料的温度系数较小，所以其阻值并不会随着温度变化。当电桥处于平衡状态时，不会有任何的电压输出，如果电桥所处的温度出现变化，那么桥臂电阻的阻值则会发生改变，此时会输出不平衡的电压，这部分电压则可抵消热电偶参考端温度变化引起的热电动势误差，从而达到补偿的目的。需要注意的是，因电子电位差计的测量桥路自带温度补偿功能，所以在应用其进行温度测量时，不用调整至起始点。

3 结论

综上所述，热电偶在使用过程中，由于受到各种因素的影响，常常会出现计量误差，由此导致温度测量结果的准确性大幅度降低。为此，应当对引起计量误差的主要原因进行分析，并采取合理可行的方法和技术措施，对误差问题进行解决处理，从而最大限度地降低误差的产生几率，提高热电偶温度计量结果的准确性。