热电偶测温误差分析和解决方案点击次数：268 发布时间：2014-8-3
摘 要：在现代化生产装置里，普遍都使用热电偶或热电阻来测量温度，与热电阻相比，热电偶作感温元件具有测量温度范围广，可以在-270℃到2800℃度的广泛温域内进行测量，它具有性能稳定，准确可靠，另外还有结构简单，热惯性小，动态响应快等优点。因此在工业生产中广泛用热电偶来测量温度。热电偶在虽然有以上优点，在使用中会受到各种因素影响产生测量误差。热电偶是工业生产中使用广泛的接触式测温元件。熟悉其工作原理，掌握和分析测温误差的来源会在很大程度上提高温度测量的准确性。避免生产中不必要的损失出现。本文结合生产装置一个温度测量回路的介绍，分析了测量误差产生的原因，提出解决的办法，仅供参考。
一、热电偶测温基本原理
将两种不同材料的导体或半导体A和B连接起来，构成一个闭合回路，就构成热电偶。如图1所示。温度t端为感温端称为测量端，温度t0端为连接仪表端称为参比端或冷端，当导体A和B的两个执着点t和t0之间存在温差时，就在回路中产生电动势EAB(t,t0), 因而在回路中形成电流，这种现象称为热电效应。这个电动势称为热电势，热电偶就是利用这一效应来工作的。热电势的大小与t和t0之差的大小有关，当热电偶的两个热电极材料已知时，由热电偶回路热电势的分布理论知热电偶两端的热电势差可以用下式表示：
EAB(t,t0)＝EAB(t)－EAB(t0)
式中 EAB(t,t0)－热电偶的热电势；
EAB(t)－温度为t时工作端的热电势；
EAB(t0)－温度为t0时冷端的热电势。
从上式可看出!当工作端的被测介质温度发生变化时，热电势随之发生变化，因此，只要测出EAB(t,t0)和知道EAB(t0)就可得到EAB(t)，将热电势送入显示仪表进行指示或记录，或送入微机进行处理，即可获得测量端温度t值。
二、使用误差分析
1.绝缘变差而引入的误差 热电偶在使用一段时间后，保护管和接线板上的污垢或盐渣过多致使热电偶极间与炉壁间绝缘不良，在高温下更为严重，这不仅会引起热电势的损耗而且还会引入干扰，由此引起的误差有时可达上百摄氏度。
2.热惰性引入的误差 热电偶测温过程实际上是热电偶与被测介质间热交换过程，需要一定的时间达到热平衡，由于热电偶的热惰性使仪表的指示值落后于被测温度的变化，在进行快速测量时这种影响尤为突出。所以应尽可能采用热电极较细、保护管直径较小的热电偶。测温环境许可时，甚至可将保护管取去。由于存在测量滞后，用热电偶检测出的温度波动的振幅较炉温波动的振幅小。测量滞后越大，热电偶波动的振幅就越小，与实际炉温的差别也就越大。当用时间常数大的热电偶测温或控温时，仪表显示的温度虽然波动很小，但实际炉温的波动可能很大。为了准确的测量温度，应当选择时间常数小的热电偶。时间常数与传热系数成反比，与热电偶热端的直径、材料的密度及比热成正比，如要减小时间常数，除增加传热系数以外，zui有效的办法是尽量减小热端的尺寸。使用中，通常采用导热性能好的材料，管壁薄、内径小的保护套管,比如高灵敏度的铠装热电偶，采用变径技术的小惰性热电偶产品。在较精密的温度测量中，使用无保护套管的裸丝热电偶，但热电偶容易损坏，应及时校正及更换。3.热阻误差 一些高温炉使用煤炭或焦油作为燃料，时间一长，保护管上就积有一层煤灰，焦炭尘埃附在上面，则热阻增加，阻碍热的传导，这时温度示值比被测温度的真值低。因此，应保持热电偶保护管外部的清洁。三、热电偶测温仪表测量误差主要来源有下面几种情况1.热电偶分度误差 由于热电俩的材料成分不能严格符合要求的复现及均匀性等原因，使热电偶的热电特性实际愉出电势与标准分度稍有差别。2.由于补偿导线与热电偶的热电特性不*相同而带来的误差 各种热电偶补偿导线的允许误差范围如下: 铂佬—铂热电偶<O.03℃ 镍格—镍硅热电偶<O.15℃ 镍铬—考铜热电佣<0.15℃ 3.冷端温度变化引起的误差 冷端沮度补偿如使用补偿电桥，由于热电偶电势特性与补偿电桥产生的电势只能在设计点20℃或50℃得到*补偿，其它温度由于热电偶特性的非线性，不能*吻合，会产生一定的误差。其它方法冷端补偿，由于测盆或其它原因，也会带来一定的误差4.由于热电极的变质 如应力分布，氧化等使出厂后的热电偶性能发生变化而带来的误差。5.绝缘不良引起的误差 在使用热电偶时，应注意两热电偶电极之间及它们与地之间的绝缘，否则会引起电势降低影响测量度。
三、解决办法
1.热电偶的基本误差:误差是热电偶本身固有的，还包括上一极标准的传递误差。解决方法：可采用检定校验的方法使其控制在允许偏差范围内，也可在实际测温中将热电偶偏差进行修正，得到的真实的温度。
热电偶材料不均匀性引起的误差：此误差和材料不均匀程度有关温度变化越大，使热电极各点温度的差值越大，则材料不均匀性的影响也就越大。解决方法：可用退火的方法把它减弱，但无法*消除。
2.测量仪表的误差：该误差的大小是由仪表的精度等级决定的。
解决方法：应定期检定效准，保证仪表的度等级。
3.动态误差：温度变化后，测温仪表来不及立即指出变化了的温度，因而引起读数误差。热电偶时间常数的大小是决定动态误差大小的主要因素。
解决方法：对于快送变化的温度，由于测温元件的热憜性，动态误差可能很大，必须采用小惯热电偶或选取采样数率较高的仪表解决。采用导热性能好的材料做保护管，管壁要薄，内径要小。减小保护管与热电偶测量端之间的空气间隙。增加测量端介质的流速，加快对流传热。
4.绝缘不良引起的误差：热电偶使用时两热电极间以及它们和大地之间应有良好的绝缘，不然将会有热电势损耗，直接影响测量结果的准确性，严重时会影响仪表的正常运行。
解决方法：把热电偶的引线接在铁管内，并将铁管接地。把热电偶悬空，热电偶不与炉壁的耐火砖接触。把参考端接地，在热电偶（或补偿导线）输出端的一端，通过一个容量足够大的电容接地。用屏蔽的方法，可使泄漏的电流经过金属屏蔽物直接接地，不在流入测量回路，从而消除干扰误差。
5.热交换引起的误差。热电偶测温时，存在着复杂的热交换过程。由于温度的多次传递，测量端的温度并不与被测介质温度*一致，因此产生测量误差。克服方法有两种：一是确定传递误差的大小，进行修正。二是采取措施，使传热误差减小到允许范围内。
6.辐射误差解决方法：在管壁外面敷设绝热层，减小管壁与被测介质的温差。减小保护管的外径以及保护管、热电极的黑度(辐射)系数。在热电偶管壁间加装防辐射罩，以减小之间的直接辐射。增加被测介质流经热电偶测量端的流速，增加对流传热。
7.安装不正确引入的误差：热电偶的安装是否正确合理，对测量结果有着重要影响。
解决方法：热电偶处于能够真正代表被测介质温度的地方。热电偶应有足够的插入深度，一般不少于热电偶保护管外径的8～10倍。防止热损失。保护管露外部应尽可能短，并加保温层。若被测介质具有负压，热电偶安装必须严格密封，以免外界冷空气进入影响测量的准确性。安装地点，应尽量避开其热源、强磁场、电场的干扰。
8.现场使用引入的测量误差。参考端温度过高引入的测量误差;参考端温度过高的测量误差分析; 因为补偿导线在（0～100）℃范围内，补偿导线热电特性与热电偶的热电特性相同。超过此温度范围，补偿导线与热电偶热电特性相差很大，从而造成测量误差。
解决方法：热电偶保护管与炉壁之间的空隙应使用绝热物堵塞，避免炉温的热辐射，使参考端保持在100℃以内。
9.补偿导线与热电偶接反引入的测量误差;热电偶与补偿导线极性接反测量误差分析; 补偿导线有正负之分，接反起不到补偿作用，而且还会造成更大的误差。根据中间温度定律，如图如果接法正确仪表接收到的热电势E总为：
E总=E(T,TA)＋E(TA, T0) ﹙1﹚
如果补偿导线与热电偶正负极接反，TA,和T0之间相当于接入一个反向热电势，则仪表接收到的热电势E′总为：
E′总= E(T,TA)- E(TA, T0) ﹙2﹚
上述两种接法之差 △E总为：
E总= E总- E′总= E(T,TA)＋E(TA, T0) - E(T,TA)- E(TA, T0)
=2E(TA, T0)
补偿导线接反所造成的误差约为使用补偿导线的两倍的误差。
解决方法：将补偿导线正确连接。
9补偿导线与热电偶型号不匹配引入的测量误差;补偿导线与热电偶型号不匹配引入的测量误差分析; 补偿导线在参考端温度﹙0～100﹚℃范围內与所配热电偶的热电特性相同。﹙此间温度所产生热电势各不相同﹚如图
如果补偿导线不匹配仪表总的热电势E′总为：
E′总= E1(T,TA)+E2(TA, T0)
假设把K型偶错接为N型补偿导线E1，E2分别为偶和补偿导线。
E1(T,TA)＝E′总－E2(TA, T0)
可得出补偿导线与热电偶型号不符将带来较大的测量误差。
解决方法：使用与热电偶热电特性相同补偿导线连接。
10.不使用补偿导线引入的测量误差; 不使用补偿导线引入的温度测量误差分析：根据均质导体和中间温度定律。（同性质导体相接不能产生热电势）如图
公式为:E(T, T0)=E(T , TA)+E(TA, T0)
因不用补偿导线热电偶热电势E(T, TA)=E(TA , TO)。
E′总= E(T, T0) ； E (T, T0)=E(TA , TO)
解决方法：用同型号的补偿导线与热电偶相连。
四、结束语
热电偶测温误差除上述原因之外，还有其他因素也能影响测量，比如补偿导线的极性的影响，参考端温度的影响，显示仪表或DCS本身的影响等等，从维护角度看，只要介质温度不是很高，应尽量使用热电阻来测量温度，因为热电阻不涉及补偿导线和冷端补偿问题，而且结构简单，方便易懂，投资与施工费用低等等。所以，在设计时测温元件选型也很关键。总之，无论采用什么测温元件，能正确掌握热电偶测温原理，准确分析误差产生的根源，对于仪表维护人员来说*。
