热电偶测量误差分析

摘要:从实际应用出发,简述了塞贝克效应、珀尔帖效应和汤姆逊效应，阐述了热电偶产生热电势必须具备的条件。从插入深度的影响、响应时间的影响、绝缘电阻的影响、热辐射的影响、热电阻的影响、补偿导线的影响、不均匀热电势的影响、干扰引起的误差等八个方面详细分析了对热电偶测量误差的影响。因为热电偶的安装容易被忽视，所以文章也介绍了安装位置、安装方式所带来的测量误差及需要注意的事项。根据实际使用情况，指出了公司热处理炉所使用的热电偶存在的问题并提出了改进意见。
0引害
　　热电效应理论得到了不断的发展，并日趋完善。热电偶是热电效应的具体应用之一，它广泛地应用于温度的测量与控制，可以在-200~2300℃温度内进行测量，具有性能稳定、正确可靠、结构简单、价格便宜等特点，它虽然结构简单但在安装使用时必须遵循相应的技术规定，否则，会引起较大的测量误差，造成测温不准，降低热电偶使用寿命。车间热处理炉就是使用热电偶进行测温，测温精度对产品质量至关重要，对操作人员、拆装人员、维保人员和相关技术人员来说，了解影响热电偶测温不正确的各种因素是非常必要的。因此，对热电偶的工作原理、影响热电偶测量误差的主要因素及安装注意事项进行了简单介绍，希望能对相关人员有所帮助，对提高公司产品质量起到作用。
1热电偶工作原理
1.1塞贝克效应
　　在1821年，塞贝克发现，用两种不同材质的金属两端彼此相联，组成一个闭合的回路(如图1)，通过对一连接端加热时，由于两连接端产生了温度差，这时回路就会产生电流，这一现象称为温差电效应或塞贝克效应，所产生的电动势称为温差热电动势或塞贝克电动势。
 
1.2珀尔帖效应
　　在1834年，珀尔帖发现，当用外部直流电源向热电偶回路输送电流时，两接点处的温度就会发生变化，一个接点吸热，另-一个接点放热，这一-现象称为珀尔帖效应。
 
　　如图2所示，这种由于两种导体自由电子密度不同而在接触处形成的热电动势称为珀尔帖电势。
1.3汤姆逊效应
　　1851年，英国物理学家汤姆逊在实验中发现“在同.金属材料中，随着电流的方向不同(从金属热端到冷端或从金属冷端到热端)，所产生的热效应也不同。”这一效应称为汤姆逊效应。如图3,在-.根均质的导体上，如果存在温度梯度，那么也会产生电动势，称为汤姆逊电势。
 
　　由此可见，热电偶的工作原理是由于两种不同材质的金属相互连接构成闭合回路,而连接的两端存在温度差异，从而在闭合回路中产生热电势，所产生的热电势与温度差成比例关系，通过对热电势的测量可计算出温度差，一端温度恒定,从而得出被测量介质的温度。
3测量误差的主要来源
3.1插入深度的影响
　　由热电偶工作原理可知，其测温时，因连接的两端存在温度差，从而在闭合回路中产生热电势，在其纵向方向会产生热流，当两端的温差较大时，会产生热损耗，将导致热电偶测量温度比实际被测温度偏低，产生测量误差。因热损耗引起的测量误差，与热电偶的插入深度、热电偶保护管材质、被测对象状态紧密相关，为了减少热损耗带来的误差，若金属保护管由于其绝热性能差而导热性能好，可插入深一些(一般为保护管直径的15~20倍);若非金属保护管,由于其导热性能差而绝热性能好，则可插入浅一些(一般为保护管直径的10~15倍);被测对象为流动的液体或高速气流，其温度测量则可插入浅一些，具体数值可根据实际测量试验来确定，以精度最高为宜。
3.2响应时间的影响
　　热电偶的热响应时间常数是指当被测介质温度发生变化时，热电偶所测温度达到被测介质实际温度的63.2%所需的时间。实践证明，时间常数越小，则热惰性小、动态误差小、响应速度快。实际测量时，为了让测量的温度接近被测温度，则需要保持一定时间，使得.测温热电偶与被测的对象温度达到热平衡后，才能正式读取或采集温度值。热响应时间是表示热电偶响应快慢的一-个特性参数，它主要取决于热电偶的结构、尺寸、材料及测量条件。若被测介质为静止气体，由20℃达到400℃时的测量，一般需要保持15min左右温度才能达到平衡;若被测介质为液体，一.般需要保持5min以上温度才能达到平衡。
　　热电偶测温响应时间与热电偶的测量端直径有关，热电偶偶丝越细，则其直径越小，响应时间就越短。如果测温环境允许，也可不加保护管。
3.3绝缘电阻的影响
　　铠装热电偶测温时，由于氧化物的电阻率在高温下与温度成反比，而电阻率与电阻是成正比，因此温度越高氧化物的电阻率会越低，则热电偶的绝缘电阻也越低，因是并联关系越容易产生分流，产生测量误差，这是热电偶绝缘电阻分流造成的误差，称为分流误差。由于铠装热电偶的绝缘物是粉末状氧化镁，当中间部位温度较高时有漏电流产生，应加大铠装热电偶的直径,增加绝缘体厚度，以减少绝缘电阻带来的误差，否则选择普通型热电偶。
3.4热辐射的影响
　　热电偶用于加温炉测温时，炉内高温物体发出的热辐射会对热电偶加热，当热电偶与加温炉炉壁的温度差比较高时，由于热交换，会使热电偶的测量产生误差,为了减少热辐射对测量产生的影响，一般采取加大热传导和加强气体的对流，使热电偶的温度与加热炉炉壁的温度尽量接近，在热电偶安装时，尽量远离可能产生热辐射的固体物质，对热电偶可采取加装热辐射屏蔽罩等方式进行屏蔽。
3.5热电阻的影响
　　热电偶长期使用，其保护套管处表面会附着灰尘和氧化物，在高温时会产生热电阻，由于电阻的增大,不仅会增加热电偶的响应时间，还会造成示值温度偏低，对水平安装的热电偶产生的影响更加明显。因此，除了定期检定外还应定期检查并清理，以保持热电偶保护管外部的清洁。
3.6补偿导线的影响
　　必须正确选择热电偶补偿导线并按规定要求使用，否则会带来误差，热电偶补偿导线的选择应与热电偶分度号一致，在同一温度环境并在规定的使用温度(普通补偿导线小于100℃,耐热型补偿导线小于200C)下使用，补偿导线的正负极和电热偶的正负极要一一对应，切勿将其极性接反，补偿导线极性接错时，不仅不能起到参考端补偿作用，相反会产生更大的误差，这种误差是不进行参考端补偿所产生误差的两倍。
3.7不均匀热电势的影响
　　当热电偶处于温度梯度的温场中，而热电极材料是不均匀的，则在热电偶回路里便会产生附加电势(称为汤姆逊电势)，这种附加电势也称为不均匀电势，它会改变热电偶的热电特性，产生测量误差。产生热电偶不均匀热电势的因素主要有:
①热电极材质本身不均匀;
②加工时造成的不均匀:
③用过程中的局部拉伸、弯曲变形造成的不均匀:
④在高温使用过程中，被测介质、绝缘材料等对热电偶的局部玷污、渗透、腐蚀或晶格结构的改变,造成的不均匀。
3.8干扰引起的误差
　　当温度高时，加热炉的耐热保温层和热电偶的绝缘材料的绝缘性能会降低，使其具有了一定的导电性能，这时加热电源会经其泄露到热电偶电极上，产生漏电干扰:若热电偶周围安装有大功率电动设备、变压器、动力电源线缆时，由于电流大、电压高，在其周围会产生较强的磁场、电场或较大的地电流，从而在热电偶测量回路中产生干扰电动势，对测量结果带来测量误差，甚至会造成测量结果的严重失真。
干扰通常分为线间干扰和对地干扰，可采用老式晶体管电压表来测量，线间干扰电压一般可达到几毫伏到几十毫伏，而对地干扰则可达到几伏到一百伏。因此，热电偶在选择、安装、使用时要特别注意，避免漏电、磁场、电场、地电流等带来的干扰，保证测量结果的真实可靠性。
4热电偶安装
4.1安装位置
　　根据生产工艺对温度的测量与控制要求，使用热电偶来实现对温度的测量与控制，其测温点的选择必须能真实正确反映该工艺参数，通常应从以下几点来确定:
①测温点要选择生产产品加温的位置且在温度比较均匀、与被测介质要能接触充分的地方，测量流动介质温度时，测温点应选在介质正常流动的区域，测量固体温度时，测温点应选在被测物体表面且接触紧密。对测温点周围的温度尽可能控制其变化，以减小导热带来的误差。
②热电偶的安装位置要远离加热源或炉门。
③其周围不应有强电磁场、各种电源及动力线缆等，如若不能避开，应采取加装屏蔽罩等防护措施，避免电磁场等因素干扰，减少测量误差。
④热电偶冷端通常应控制在100C以下，常温为最佳。
4.2安装方式
　　热电偶安装方式通常有水平安装、垂直安装和倾斜安装三种。
①水平安装，因灰尘、氧化物等杂质容易积聚在热电偶保护套管表面，使用时，一般情况不会经常进行清理，则不仅会影响测量响应时间，还会使测量结果偏小，动态性能下降。
②垂直安装，可最大限度减少灰尘、氧化物等杂质的积聚，避免外来因素的干扰，最大限度提高其测量精.度和动态性能，是热电偶测温首选的安装方式。
③倾斜安装，在测量管道中流体温度时常用，一般采用45°角安装为最佳。
热电偶用于加热炉测温时，其与安装孔间存在的空隙，必须使用石棉绳或耐火泥等绝热材料密封，以减少.炉膛内、外空气对流产生的误差,从而提高测量精度。
5结语
　　热处理炉炉温测量时使用四根热电偶测量，其长度700mm，水平安装。根据.上述的分析，目前存在的问题:①插入深度没有限制装置，有随意性:②水平安装，未对维护保养进行明确规定，没有定期进行清理:③热电偶保护套管和炉壁孔.间的空隙未用石棉绳或耐火泥等绝热材料密封。建议设置插入深度限制装置，由于采用金属保护管，直径φ20mm,其最佳插入深度应为300~400mm,限制装置的设置应根据炉子壁厚、弹簧托板放置位置，插入深度选择合适的热电偶长度和限制位置，尽量满足.300~400mm的要求:明确维护保养要求进行定期清理，因不能垂直安装，或改为倾斜45°安装:保护套管和炉壁孔间的空隙采用石棉绳或耐火泥等绝热材料对其加以密封，以提高炉温的测量精度，保证炉温测量的正确可靠，从而保证产品质量。