台架实验用热电偶测温元件的结构改进

王娟，杜文君

（陕西法士特齿轮有限责任公司，陕西 西安 710117）

前言

台架实验作为变速箱研发过程中的一个重要环节，受到了相关技术人员的高度重视。台架实验过程中，通过测量、记录多种实验参数，如转速、扭矩、力值、温度、压力、时间等，依次分析、评判变速箱的各种实际性能，寻找改进机会。所以各种实验参数获得、准确、可靠就显得尤为重要。

实验过程一般要持续一段时间，为了完整的保留各种实验数据，就需要实验系统能够即时采集、显示、记录各种数据。所以各种传感器、变送器、转换模块就得到了广泛应用。

台架实验时，比较常用的测温元件有工作用热电偶和工业铂热电阻两种，这两种测温元件的显著特点是：成本低、测量信号便于传输、使用方便。

本文针对温度测量时，热电偶类测温元件结构型式选择环节，结合热电偶的计量检定谈谈自己的认识和体会。

1 问题的提出

热电偶的测温原理告诉我们，只有当热电偶的冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数。实际应用时，为了节约热电偶的电极材料、降低费用，热电偶不必制作过长，原则是：工作端要能达到需测量的温度场位置，冷端需处于周围温度相对稳定的环境中，同时采用适当的冷端温度补偿法。冷端温度补偿法中，补偿导线法比较常用，这种方法费用低，易于实现，但是必须注意的是与之配用的显示单元本身要具有冷端温度自动补偿功能，同时，热电偶和补偿导线连接处的温度不应超过 100℃，否则也会由于补偿导线和热电偶的热电特性不同而带来新的误差。

图 1所示为实验中最初拟用的一种规格的 K分度热电偶，其插入深度L=60mm。由于它的工作端（热端）与冷端距离太近，我们认为，实际使用中，这种型式的热电偶只适合测量不超过150℃的温度。若要测量150℃以上温度，尤其是需要垂直插入测量时，（测量对象表面温度超过100℃）误差将显著增大（示值偏低）。

图1 型号WRNK2-101 规格L=60 mm

2 改进方案的实施

图1所示热电偶的冷端和被测温场只有不到60mm的距离，受热辐射的影响，冷端温度已经超过了 100℃，热电偶和补偿导线连接插头处的温度超过 100℃后，补偿导线和热电偶的热电特性不同而带来新的误差导致测量结果误差增大。

我们将图1所示热电偶改为图2所示结构型式，其插入深度L=60mm，但将冷端延长了80mm，并改为柔性型式。这样，当热电偶垂直插入测温孔后，可以将冷端方便的固定在被测温场的一侧，而不是正上方，保证其冷端温度不超过100℃。

图2 型号WRNK2-191 规格L=60mm

以上两种结构形式的铠装 K分度热电偶为同一厂家制作，在完全相同的条件下进行计量检定后，“检定结果”如下表所示。比较 50℃～250℃测量范围内五个检定点的实际误差可以看出：检定温度在50℃、100℃、150℃三点上，两种型号热电偶的实际误差均在±2.5℃允差范围内；当检定温度为200℃、250℃两点时，WRNK2-191型（改进后）热电偶的实际误差仍在其允差范围内，而WRNK2-101型（改进前）热电偶的实际误差超出了允差范围，并有随着温度升高、误差绝对值增大的趋势。这个结果就是热电偶和补偿导线连接处的温度超过 100℃后，补偿导线和热电偶热电特性不同而带来新的误差所致。

表1

［以下空白］

证书只对此被测件有效。未经本实验室批准，不得部分复印。

3 结束语

选择热电偶类测温元件测温时，在考虑测量范围、响应速度、分度号等因素的同时，还要重点关注热电偶的安装方式、冷端温度等条件，必要时根据实际情况选用柔性结构型式的热电偶，并将冷端延长至环境温度较为稳定的位置，确保测量结果准确可靠。

以上观点是我们根据实际检定结果、分析测量过程总结而得，不妥之处欢迎同行批评、指正。

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