热电偶的正确选择及测量误差原因

摘要:热电偶是一种在自动化控制过程中应用非常普遍的温度传感设备。其结构简单、安装使用方便而被广泛应用于各行业自动化温度控制领域。为了保证热电偶在温度测量过程中安全、正确、长周期的运行,通过对热电偶分度号、测点位置及插入深度的正确选择,以及分析其在实际应用中出现的各种测量误差原因，提出了热电偶在选用过程中常被忽略的一些问题,以及热电偶测量误差的形成原因,希望为热电偶在正确选择及精度高测量方面起到一定帮助。.
0引言
　　在工业自动化控制领域中热电偶作为温度测量中的重要传感器之一,为各行业的温度测量立下了“汗马功劳”。它因结构简单、测温正确、测量范围广、维护方便等特点被广泛应用于各行业自动化温度控制领域。然而也正是由于热电偶本身结构简单、安装使用方便等特点在选用过程中往往对其分度号、插入深度等关键参数的选择容易被忽视从而造成热电偶在使用过程中出现问题引起测量误差甚至损坏热电偶的情况发生。另外由于在测量过程中诸如温度补偿、热响应时间、热阻抗、热电偶劣化等-系列问题引起的测量误差,也给实际用户带来了不小的麻烦甚至造成严重的经济损失。在现代工业自动化控制中越来越注重对仪表安全、测量正确性、使用寿命及稳定性的要求之前也有大批的科研人员及热工仪表工程师对热电偶的测温正确性、适应性以及测温结构做了大量的研究。在此基础.上本文从热电偶的选择以及实际应用出发，对热电偶不同分度号以及测温范围的适应性如何选择、测温点位置的选择、热电偶插入深度如何正确选择进行了分析和阐述。同时对热电偶在使用过程中由于温度补偿、热响应时间、热阻抗、热电偶劣化等原因产生的测量误差原因进行分析并给出了解决办法。希望对热电偶正确测温、长周期测温方面有一定帮助。
1热电偶的选择
　　热电偶由于使用简单应用也非常广泛,但是在最初选用过程中往往更注重热电偶的安装接口、套管材质耐压等级等关系到热电偶安装及安全的参数指标却容易忽略掉热电偶的适应性、测温范围以及插入深度对测温结果的影响。
1.1热电偶分度号的选择
　　热电偶分度号的选择通常是根据被测介质的工作温度来决定的,一般情况下根据热电偶不同分度号的测温范围以及实际使用情况我们大致将热电偶分为中低温、中高温以及高温三种类别的分度热电偶。下面就这三种测温范围的热电偶如何选择进行分析和讨论。
1.1.1中低温热电偶的选择
　　若用于低温区测量(-200℃~+350℃)可以选择T分度热电偶,用于中低温区测量(-40℃~+700℃)可选择EJ分度热电偶但由于TJ分度热电偶的正极分别为纯铜和纯铁材质,在产品的制作和使用过程中极易被氧化所以不能用于氧化环境中测温。若要在氧化环境中进行测温推荐使用E分度热电偶。E分度热电偶不仅能覆盖J分度热电偶的测温范围且热电势输出大、灵敏度高、稳定性好抗氧化性能优于TJ分度热电偶能用于氧化性和惰性气体环境中但不能直接在高温下用于硫、还原性气体环境中这样将会导致E分度热电偶热电势均匀性出现较大误差。
1.1.2中高温热电偶的选择
　　K、N分度热电偶是目前市场上应用广泛的廉金属热电偶主要用于中高温区的温度测量(-40℃~+1200℃)。其中K分度热电偶因线性度好、热电动势较大、灵敏度高、稳定性和均匀性较好抗氧化性能强、价格便宜等优点占据了绝对的市场份额。N分度热电偶是一-种最新国际标准化的热电偶,它成功的克服了K分度热电偶的两个重要缺点,即K分度热电偶在300℃~500℃间由于镍铬合金的晶格短程有序而引|起的热电动势不稳定;在800℃左右由于镍铬合金发生择优氧化引起的热电动势不稳定。其综合性能优于K分度热电偶是一种很有发展前途的热电偶。但在低温范围内(-200℃~400℃)的非线性误差较大同时材料较硬难于加工是N分度热电偶的一大缺点。
1.1.3高温热电偶的选择
　　S.R、B分度热电偶因其正负电极采用铂及铂铑合金制成故被称作贵金属热电偶。是适应于高温区测量(800℃~1600℃)的热电偶其中S、R分度热电偶推荐长期使用温度为(800℃~1300℃),B分度热电偶推荐长期使用温度为(800℃~1600℃)。因这几种分度的贵金属热电偶测温精度高、稳定性好、测温区宽、测温上限高等优点，被广泛应用于1000℃以上的高温测量场合,如冶金、玻璃、陶瓷等行业的测温。不足之处是热电势较小、灵敏度较低、高温下机械强度下降、对污染非常敏感、贵金属材料昂贵导致一次性投资较大。但总体看来贵金属热电偶还是高温区域温度测量的主力军加上现在的热电偶生产工艺不断进步,可有效的保护电极丝在高温下不被污染提高产品的使用寿命。
　　以上各类高低温热电偶除电极本身材质不同之外在结构.上并没有本质的区别主要还是根据不同的分度号选择合适的测温范围以及测量环境的适应性。
表1热电偶优缺点对比表

分度号	名称	优点	缺点	推荐测温范围
T	(铜-铜镍)	线性度好热电势较大灵敏度高，均匀性较好在-200℃~0℃温区内稳定性好。	正极铜材质在高温下抗氧化性能差	-200℃~+350℃
J	(铁-铜镍)	线性度好热电势较大灵敏度高稳定性和均匀性较好可用于真空、惰性气体环境中使用。	正极铁材质在高温下抗氧化性能差不能直接无保护的在高温下用于硫化气氛中。	-40℃~+700℃
E	(镍铬-铜镍)	热电势大灵敏度最高,可测量微小的温度变化稳定性较好抗氧化性优于TJ分度热电偶。宜用于湿度较的环境中测量。	不能直接在高温下用于硫、还原性气氛中，热电势均匀性较差	-40℃~+800℃
K	(镍铬-镍硅)	线性度好热电势较大灵敏度高稳定性和均匀性较好能用于氧化性、惰性气氛中。	不能直接在高温下用于硫、还原性或还原氧化交替的气氛中以及真空中使用,也不推荐用于弱氧化气氛中使用。	-40℃~+1200℃
N	(镍铬硅镍硅)	线性度好热电势较大灵敏度高稳定性和均匀性较好能用于氧化性、惰性气氛中。不受短程有序化影响综合性能优于K分度热电偶。	不能直接在高温下用于硫、还原性或还原氧化交替的气氛中以及真空中使用,低温非线性误差大加工难度大。	-40℃~+1200℃
S	(铂铑10-铂)	精度高温度性好测温温区宽稳定性好高温下抗氧化性能好,适用于氧化性和惰性气氛中	热电势较下,灵敏度较低高温机械强度下降对污染敏感材料昂贵。	+600℃~+1300℃
R	(铂铑13-铂)	精度高温度性好测温温区宽稳定性和复现性优于S分度高温下抗氧化性能好适用于氧化性和惰性氛中	热电势较下灵敏度较低高温机械强度下降对污染敏感材料昂贵。	+600℃~+1300℃
B	(铂铑30-铂铑6)	精度高温度性好测温温区宽测温上限高使用于氧化性和惰性氛中,也可短期用于真空环境中不需要专用补偿导线。	不适用于还原性气氛或含有金属蒸汽气氛,热电势较小灵敏度低对污染非常敏感材料昂贵。	+600℃~+1600℃

1.2测点位置及插入深度的选择
　　从测温原理.上来说热电偶属于接触式测温仪表其测温点位置的选择是最重要的。该测温点不仅要能够直观反映出被测介质的真实温度，还必须是整个设备单元或控制的关键温度测点。所以选择测温点时应具有典型性和代表性,否则将失去测量与控制的意义。
　　插入深度通常是指热电偶从安装密封面位置至产品端部的长度该长度的选择可直接影响热电偶的测温结果。例如测量管道中流体温度时热电偶的测量端(即测温点)应处于管道中流速最大处。-般来说热电偶的保护套管末端应越过流速中心线,最好是迎介质流向斜45°插入这样可让热电偶测量端与介质进行充分的热交换,且减少热电偶达到测量热平衡的时间。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--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--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就不受.上述限制。根据ASMEPTC19.3的要求为避免在高流速环境中发生共振造成保护管断裂的严重危害,保护套管激励频率(,)和固有频率(f,)之比即f,<0.8f.,但当保护套管受到的最大弯曲力大于等于保护套管可承受的疲劳应力极限时其保护套管激励频率和固有频率之比就应满足f,<0.4f。而保护套管的激励频率和固有频率又与其插入深度、保护套管的结构和几何尺寸有关。图1为激励频率和固有频率之比与不同结构套管插入深度的关系曲线图。从图中不难看出保护套管激励频率与固有频率的比值大小与插入深度有直接的关系插入深度越长保护套管激励频率与固有频率的比值就越大,更容易出现保护管共振情况的发生。
 
2测量中出现的误差
2.1参考端温度没有得到完全补偿而引|起的误差
　　热电偶参考端温度最好保持在0℃,但在实际测温时参考端不可能是0℃需要采用恒温器、补偿电桥或补偿导线等方法来设法恒定在某一温度下。如果实际测温标准和被测温度是采用室温补偿,由于室温不易恒定,可能使两者感受的温度不同就会造成测试结果产生很大误差。采用室温修正,由于其.误差较大,一般只适用于现场校验不适宜对产品的正确测量。
2.2补偿导线使用不当引入的误差
　　利用补偿导线可以把热电偶的参考端延长到温度较为恒定的环境再进行修正补偿,此时参考端即变为一个温度变化很小的新参考端。从本质上来说它并不能消除参考端不为0℃带来的误差所以还应该结合其它修正方法进行补偿。在使用补偿导线时-定要选择与热电偶分度号相匹配的导线,--定要正确连接补偿导线的正负极与热电偶的正负极相连接若补偿导线使用不当导致没有消除引线电阻，会弓|起较大的测量误差。同时还应注意补偿导线与热电偶连接处的温度应保持一致且温度应控制在(0-150℃)之间否则也会产生新的测量误差。
表2补偿导线分度号表

补偿导线型号  配用热电偶分度号		补偿导线材质		补偿导线颜色
		正极	负极	正极	负极
KC(补偿型)	K(镍铬-镍硅)	KPC(铜)	KNC(铜镍)	红	蓝
KX(延长型)	K(镍铬-镍硅)	KPX(镍铬)	KNX(镍硅)	红	黑
EX(延长型)	E(镍铬-铜镍)	EPX(镍铬)	ENX(铜镍)	红	棕
JX(延长型)	J(铁-铜镍)	JPX(铁)	JNX(铜镍)	红	紫
TX(延长型)	T(铜-铜镍)	TPX(铜)	TNX(铜镍)	红	白
SC(补偿型)	S(铂铑10-铂)	SPC(铜)	SNC(铜镍)	红	绿

2.3测量仪表精度弓|起的误差
　　测量仪表的精度等级高低是决定测量误差大小的因素之一测温仪表精度等级的选择要考虑测温点要求的精度并和整个测温系统相匹配,否则也会引起测温误差
2.4热电偶响应时间引起的误差
　　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,尤其是静止气气体至少应保持30秒钟以上才能达到平衡;对于液体介质最快也要在5秒钟以上。对于温度不断变化的被测场所尤其是瞬间变化的过程,有的全过程仅1秒钟则要求传感器的响应时间在毫秒级。由于普通的温度传感器不但跟不上被测对象的温度变化速度出现滞后,而且会因达不到热平衡而产生测量误差最好选择响应快的传感器。滞后时间不仅决定于热电偶材料的导热系数热电偶接点的热容量、表面积、容积还决定于被测介质的热容量和导热系数以及介质(流体)本身的流动情况。热电偶测温时与被测介质之间的热交换主要是对流传热通过对流体传热使热偶接点吸热后温度升高。对流传热的大小决定于介质温度与热电偶接点温度之差和热偶接点与被测介质接触的面积大小,即:如果忽略热偶接点温度对周围环境的辐射和沿热电偶导线的导热损失而产生放热,则热偶接点吸收的热量转变为接点的温度变化。如果被测温度不是稳定值而是随时间迅速变化要能反映出某瞬时的真实温度这就要求热电偶的动态响应要高,即时间常数要小。具体措施如下:
(1)减小热电偶接点体积。接点体积减小热容量也随之减小而且传热系数x随之增大;
(2)增大热偶接点与被测介质接触的表面积。对于相同体积的接点若将球形压成扁平状体积不变而表面积增大了这样就可减小时间常数。
2.5热阻抗问题弓|起的测量误差
　　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残渣沉积,不仅会增加热电偶的响应时间还会使指示温度偏低。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精度。
2.6热电偶劣化引起的测量误差
　　所谓热电偶的劣化,即热电偶经使用后出现老化变质的现象。由金属或合金构成的热电偶在高温”下其内部晶粒要逐渐长大。同时合金中含有少量杂质其位置或形状也将发生变化,而且,对周围环变化热电偶的热电动势也将极其敏感地发生变化。因此热电偶的劣化现象是不可避免的。
热电偶发生老化的原因因热电偶不同而异主要有两方面原因:--方面是热电偶材料本身长期在高温作用下发生变质;另一方面是测温环境各种气体对热电偶的作用使热电极发生质变。减小老化误差的途径是注意各种热电偶测温条件、定期对热电偶进行检定。
3结束语
　　综上所述热电偶在选型和具体应用过程中还存在许多需要考虑和注意的问题,主要为热电偶分度号的选择、测温点位置和插入深度的选择、温度补偿、热响应时间、热阻抗、热电偶劣化等。在以后的热电偶传感器应用过程中，只要正确选型并有效解决测温误差问题就可以提高其测量正确程度也可以对热电偶的寿命进行有效延长。