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热电偶如何正确使用及如何减少测量误差

摘要：热电偶是一种*简单﹑*普通的温度传感器。在使用时不注意，也会引起较大测量误差。针对当前存在的问题，详细探讨影响测量误差的主要因素：热电偶插入深度﹑响应时间﹑热辐射及热阻抗等，指出热电偶丝不均质﹑铠装热电偶分流误差﹑K型热电偶的选择性氧化﹑K状态﹑使用气氛﹑绝缘电阻及热电偶劣化等在使用中应注意事项。对提高测量精度，延长热电偶寿命，有一定帮助。

关键词：响应时间；热辐射；分流误差； K状态；热电偶劣化

1. 前言

在现有的测温系统中，*常用的温度传感器—热电偶，因其结构简单，往往被误认为“热电偶两根线，接上就完事”，其实并非如此。热电偶的结构虽然简单，但在使用中仍然会出现各种问题。例如：安装或使用方法不当，将会引起较大的测量误差，甚至检定合格的热电偶也会因操作不当，在使用时不合格，在渗碳等还原性气氛中，如果不注意，K型热电偶也会因选择性氧化而超差。

为了提高测量精度，减少测量误差，延长热电偶使用寿命，要求使用者不仅应具备仪表方面的操作技能，而且还应具有物理、化学及材料等多方面知识。作者根据多年实践，并参阅有关资料较详细地介绍热电偶的正确使用及测量误差。

2．测量误差的主要影响因素

1）插入深度的影响

测温点的选择。热电偶的安装位置，即测温点的选择是*重要的。测温点的位置，对于生产工艺过程而言，一定要具有典型性、代表性，否则将失去测量与控制的意义。
插入深度。热电偶插入被测场所时，沿着传感器的长度方向将产生热流。当环境温度低时就会有热损失。致使热电偶与被测对象的温度不一致而产生测温误差。总之，由热传导而引起的误差，与插入深度有关。而插入深度又与保护管材质有关。金属保护管因其导热性能好，其插入深度应该深一些（约为直径的15—20倍），陶瓷材料绝热性能好，可插入浅一些（约为直径的10-15倍）。对于工程测温，其插入深度还与测量对象是静止或流动等状态有关，如流动的液体或高速气流温度的测量，将不受上述限制，插入深度可以浅一些，具体数值应由实验确定。
响应时间的影响

接触法测温的基本原理是测温元件要与被测对象达到热平衡。因此，在测温时需要保持一定时间，才能使两者达到热平衡。而保持时间的长短，同测温元件的热响应时间有关。而热响应时间主要取决于传感器的结构及测量条件，差别极大。对于气体介质，尤其是静止气体，至少应保持30min以上才能达到平衡；对于液体而言，*快也要在5min以上。

对于温度不断变化的被测场所，尤其是瞬间变化过程，全过程仅1秒钟，则要求传感器的响应时间在毫秒级。因此，普通的温度传感器不仅跟不上被测对象的温度变化速度出现滞后，而且也会因达不到热平衡而产生测量误差。*好选择响应快的传感器。对热电偶而言除保护管影响外，热电偶的测量端直径也是其主要因素，即偶丝越细，测量端直径越小，其热响应时间越短。测温元件热响应误差可通过下式确定[1]。

Δθ=Δθ0exp（-t/τ）（2—1）

式中 t—测量时间S，

Δθ—在 t时刻，测温元件引起的误差，K或℃

Δθ0—“t=0” 时刻，测温元件引起的误差，K或℃

τ—时间常数S

e —— 自然对数的底（2.718）

因此，当t=τ时，则Δθ=Δθ0/e即为0.368，

如果当t=2τ时,则Δθ=Δθ0/e2即为0.135。

当被测对象的温度,以一定的速度α(k/s或℃/s)上升或下降时,经过足够的时间后,所产生的响应误差可用下式表示：

Δθ∞=-ατ（2—2）

式中Δθ∞—经过足够时间后，测温元件引起的误差。

由式（2—2）可以看出，响应误差与时间常数（τ）成正比，表1，2给出装配式与铠装式热电偶响应时间的实验结果，可供参考[1]。为了提高检定效率许多企业采用自动检定装置，对入厂热电偶进行检定，但是，该装置也并非十分完善。二汽变速箱厂热处理车间就发现如果在400℃点的恒温时间不够，达不到热平衡，就容易发生误判。

表1K型热电偶响应时间

热电偶丝直径（mm）	保护管		响应时间（τ）	温度变化范围（°C）	外部条件
热电偶丝直径（mm）	材质	规格（mm）	响应时间（τ）	温度变化范围（°C）	外部条件
3.2	SUS304	外径22	6 分55 秒	常温 → 600	燃气炉中
3.2	SUS304	内径16	2 分52 秒	600 → 常温	静止冷水
1.6	SUS304	外径15	3 分32 秒	常温 → 600	燃气炉中
1.6	SUS304	内径11	40 秒	1000 → 常温	静止冷水
1.0	SUS304	外径12	1 分14 秒	常温 → 950	燃气炉中
1.0	SUS304	内径8	2 分28 秒	950 → 常温	自然空冷
3.2	只有绝缘管无外保护管		49 秒	常温 → 950	燃气炉中
3.2	只有绝缘管无外保护管		1 分32 秒	900 → 常温	自然空冷
1.6	只有绝缘管无外保护管		27 秒	常温 → 900	燃气炉中
1.6	只有绝缘管无外保护管		52 秒	900 → 常温	自然空冷

表2铠装热电偶响应时间

铠装热电偶外径（mm）	响应时间(τ)		温度变化范围 (℃)	外部条件
铠装热电偶外径（mm）	接壳型	绝缘型	温度变化范围 (℃)	外部条件
0.25	0.007秒	0.012秒	常温→100	沸腾水中
0.5	0.027秒	0.031秒	常温→100	沸腾水中
0.5	0.03秒	0.05秒	常温→100	沸腾水中
1.0	0.077秒	0.117秒	常温→100	沸腾水中
1.0	0.7秒	0.12秒	常温→100	沸腾水中
1.6	0.15秒	0.2秒	0→100	沸腾水中
1.6	0.18秒	0.26秒	常温→100	沸腾水中
2.3	0.26秒	0.41秒	常温→100	沸腾水中
3.2	0.4秒	0.5秒	0→100	沸腾水中
3.2	0.46秒	0.9秒	常温→100	沸腾水中
4.8	0.73秒	1.2秒	0→100	沸腾水中
4.8	1.6秒	2.4秒	常温→100	沸腾水中
6.4	1.2秒	2.4秒	0→100	沸腾水中
6.4	2.2秒	3.7秒	常温→100	沸腾水中
8.0	2.1秒	3.9秒	0→100	沸腾水中
8.0	4.0秒	5.8秒	常温→100	沸腾水中

热辐射的影响

插入炉内用于测温的热电偶，将被高温物体发出的热辐射加热。假定炉内气体是透明的，而且，热电偶与炉壁的温差较大时，将因能量交换而产生测温误差。

在单位时间内，两者交换的辐射能为P，可用下式表示：

P=σε（Tw4 - Tt4 ）（2—3）

式中σ—斯忒藩—波尔兹常数

ε—发射率

Tt—热电偶的温度 , K

Tw—炉壁的温度 ,K

在单位时间内,热电偶同周围的气体（温度为T）,通过对流及热传导也将发生热量交换的能量为P′

P′=αA（T-Tt）（2—4）

式中 α—热导率

A— 热电偶的表面积

在正常状态下，P= P′，其误差为：

Tt-T=σε（Tt4-Tw4）/αА（2—5）

对于单位面积而言其误差为

Tt-T=σε（Tt4-Tw4）/α（2—6）

因此，为了减少热辐射误差，应增大热传导，并使炉壁温度Tw ，尽可能接近热电偶的温度Tt。另外，在安装时还应注意：

热电偶安装位置，应尽可能避开从固体发出的热辐射，使其不能辐射到热电偶表面；
热电偶*好带有热辐射遮蔽套。
热阻抗增加的影响

在高温下使用的热电偶，如果被测介质为气态，那么保护管表面沉积的灰尘等将烧熔在表面上，使保护管的热阻抗增大；如果被测介质是熔体，在使用过程中将有炉渣沉积，不仅增加了热电偶的响应时间，而且还使指示温度偏低。因此，除了定期检定外，为了减少误差，经常抽检也是必要的。例如，进口铜熔炼炉，不仅安装有连续测温热电偶，还配备消耗型热电偶测温装置，用于及时校准连续测温用热电偶的准确度。

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