热电偶测量温度的常见问题及探讨

热电偶测量温度的常见问题及探讨

罗海兰

宝钢湛江钢铁有限公司

摘要：热电偶结构简单，测量精度高，无需外接电源即可完成温度测量任务。如果出现温度误差，可能会影响产品质量，带来巨大的经济损失。本文讨论了热电偶测温的常见问题。

Summary：The thermocouple structure is simple, the measurement accuracy is high, and the temperature measurement task can be completed without an external power supply. If there is a temperature error, it may affect the quality of the product and bring huge economic losses. This article discusses common problems with thermocouple temperature measurement.

关键词：热电偶测量；温度测量；计量误差；问题探讨

Keyword：Thermocouple measurement；Temperature measurement；

         Measurement error；Questions to explore

引言

热电偶温度传感器可直接与环境接触，消除了中间介质的传输，使温度测量更准确，误差更小。然而，热电偶的使用需要严格的操作程序。一旦使用不规范或保养不到位，热电偶就会产生测温误差，带来麻烦。

1 热电偶测温的工作原理和技术优势

1.1 热电偶测温工作原理

热电偶结构简单，主要由热电极、接线装置和绝缘保护管组成。将两种不同材料的金属焊接在一起形成闭合回路。因此，不同金属中自由电子的气体密度不同。因此，在温度的作用下，两种不同金属的焊接接头处会有不同的自由电子扩散，导致闭合回路中的电位差，从而产生电流。当两个接头处的温度相同，两端的电位值相同，方向相反，电位差为零时，闭合回路中将没有电流。如果两个接头处的温度不同，则两端的电位值将不同，从而导致闭合回路中的电位差和电流。如果一端的温度已知，则可以通过测量闭合电路中的电流来计算另一端接头的温度。

1.2热电偶的分类及参数

目前常用热电偶主要有以下几类。

(1) 铂铑10-铂热电偶。分度号为S，长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃，适于在氧化气氛中测温，不适于在还原气氛中使用，但短期内可用于真空中测温。

(2) 铂铑30-铂铑6热电偶。分度号为B，长期最高使用温度为1600℃，短期最高使用温度为1800℃，适于在氧化气氛中测温，不适于在还原气氛中使用，但短期内可用于真空中测温。

(3) 镍铬-镍硅热电偶。分度号为K，按热电偶直径，温度范围为0～1300℃，适于在中性气氛中测温，不适于还原气氛中测温。

(4) 镍铬-康铜热电偶。分度号为E，温度范围为-200～+900℃，适于在氧化及弱还原气氛中测温。

1.3 热电偶测温技术优势

热电偶测温装置可以广泛应用于工业生产中，这离不开其测温性能和优点。具体来说，热电偶测温技术的优点如下：①装置本身具有很宽的测量范围，其整体性能相对稳定；②该热电偶测温精度高。由于装置在测温过程中与被测对象直接接触，不受中间介质的影响；③热电偶热响应时间快，能在极短时间内响应温度变化，测试灵敏度高；④热电偶可在较宽的测温范围内实现连续测温；⑤热电偶测温装置的结构简单，能够承受较大的压力，使用寿命长。

2 影响热电偶测温的因素

2.1 热电偶本身产生的误差

某厂回火炉温度检测系统正常运行一段时间后，发现测得的温度显示值总是滞后于炉内温度变化。经检查，是热电偶保护管结垢所致。分析：接触式热电偶测温需要一定的时间来保持与被测对象的温度平衡。回火时间的长短，与测温元件的热响应时间有关。热响应时间主要取决于传感器的结构和测量条件。由于热电偶长期在恶劣的高温环境中工作，沉积在保护管表面的灰尘和熔渣在保护管表面燃烧熔化，导致保护套管结垢，热阻抗增大，由于热电偶的热容量和时间常数增加，热电偶的响应时间延长，使得热端的温度变化总是滞后于被测温度的变化，导致热响应误差。它不仅使指示温度高，而且造成测量滞后。

2.2 热电偶不同结构的动态响应

根据结构的不同，热电偶有两种基本形式：铠装型和组装型。铠装型由于其快速的热响应时间，用于温度变化迅速的场合。此外，热电偶丝的厚度和保护管的直径与热电偶的动态响应时间有关。选择更细的热电偶丝和更小的保护管可以减小热响应误差。

2.3 测温点发生变化

热电偶的安装位置虽然正确，但长期使用时，特别是在高温下，其外保护管变形弯曲，测温点偏移，导致温度过高或过低。一种情况是保护管变形和弯曲，热电偶的热端直接对准火焰或直接接受固体的热辐射，因此温度总是很高；相反，在另一种情况下，保护管变形，偏离均匀的温度场，导致低温。因此，在选择热电偶时，不能忽视其保护管的选择，应根据测量温度选择适合不同温度的金属或非金属保护管。

2.4 应力与污渍引起的测量误差

通过对热电偶生产加工工艺的深入分析，热电偶丝需要多次拉伸才能满足制备要求。在此过程中，热电偶丝表面不可避免地会留下污渍。另一方面，在反复拉伸后，热电偶丝中也会产生不均匀的应力场。虽然采用加热淬火工艺可以在一定程度上减小应力场的影响，但如果淬火质量不符合标准，可能会留下一定的应力，从而导致测量误差。导致这种误差的主要因素是热电偶的温度梯度。调查发现，若采用低成本金属制备热电偶丝，退火温度应高于热电偶测温上限，测量端退火长度应高于插入深度，以减少测量误差的影响。如果使用贵金属制备热电偶丝，应在加工过程中使用四硼酸钠对其进行清洁，以减少热电偶丝表面的污渍。

2.5 不均匀性引起的测量误差

对于由均匀介质导体制成的热电偶，热电动势与两端的温度有关。如果使用非均匀介质导体，热电偶中将产生不均匀电位。电极温度梯度会影响不均匀电位的大小。同时，材料本身的不均匀程度也会在一定程度上影响不均匀电位的大小。实验结果表明，非均匀性引起的测量误差可达30-35℃。为避免不均匀性引起的测量误差，应采用均匀性较好的材料，并加强对制备过程的检测，确保加工误差在设定范围内。

3 热电偶温度误差的修正方法

3.1 热辐射误差处置

外部环境与测量端之间始终存在热辐射，是热辐射误差的主要原因。针对这一问题，建议增加对流换热量，减少辐射换热。具体操作分析如下：沿管壁铺设一层隔热层，以减弱热电偶测量部分与管壁之间的温差，或在热电偶测量端安装一个屏蔽盖，两者用途相同；如果测量流体的温度，可以适当增加介质的流速或加强扰动，从而提高流体介质的放热系数；选择直径较小的热电偶丝，以促进流体与热电偶电极之间形成横流。

3.2 导热误差处置

测量高温气体介质时，热电偶测量端存在温度梯度。温度梯度会在测量端产生热传导，导致测量温度与实际温度之间的偏差。结合大量的测量实例可以看出，随着导热系数差的增大，测量误差逐渐增大。热传导不良引起的测量误差可以通过减少热传导和加强对流来处理。具体方法为：使用高深宽比设备，将热电偶传统的倾斜安装方式改为垂直安装，或将热电偶安装在测量介质的弯曲位置；安装时尽量使气流方向与热电偶测量端方向一致，选择介质流量最大的位置；在选择热电偶测量材料时，应尽量使用导热系数较低的材料。

3.3 应力与污渍引起的测量误差处置

通过对热电偶生产加工工艺的深入分析，热电偶丝需要多次拉伸才能满足制备要求。在此过程中，热电偶丝表面不可避免地会留下污渍。另一方面，在反复拉伸后，热电偶丝中也会产生不均匀的应力场。虽然采用加热淬火工艺可以在一定程度上减小应力场的影响，但如果淬火质量不符合标准，可能会留下一定的应力，从而导致测量误差，导致这种误差的主要因素是热电偶的温度梯度。调查发现，若采用低成本金属制备热电偶丝，退火温度应高于热电偶测温上限，测量端退火长度应高于插入深度，以减少测量误差的影响。如果使用贵金属制备热电偶丝，应在加工过程中使用四硼酸钠对其进行清洁，以减少热电偶丝表面的污渍。

3.4 动态响应误差处置

热电偶的动态响应是其灵敏度的表现。只有提高灵敏度，才能加快热响应速度，可以通过加快热感测响应速度和缩短滞后时间来进行校正。结果表明，热电偶的热响应越快，接触体积越小，接触面越大。因此，在校正过程中，可以改变检测端的形状，以细化热电偶的接触体积，并增加与待测液体的接触面积，从而减少热电偶的热响应滞后时间。此外，采用导热性强、热响应快的材料作为热电偶传感器，将动态响应误差降低到安全标准，从而充分发挥热电偶的最佳性能。

结束语

热电偶的出现让工业生产中对温度的控制更加的方便，更加的准确，为我们的工业生产技术的发展起到了很大的推动作用。但是目前热电偶在测量温度时由于多种因素的影响，热电偶测温存在误差，严重影响生产效率和产品质量。因此，如何改进热电偶温度校正技术，减小测温误差是目前的一项重要任务。

参考文献

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