熱電偶測溫誤差分析和解決方案

熱電偶測溫誤差分析和解決方案點擊次數(shù)：268 發(fā)布時間：2014-8-3

摘　要：在現(xiàn)代化生產(chǎn)裝置里，普遍都使用熱電偶或熱電阻來測量溫度，與熱電阻相比，熱電偶作感溫元件具有測量溫度范圍廣，可以在-270℃到2800℃度的廣泛溫域內(nèi)進(jìn)行測量，它具有性能穩(wěn)定，準(zhǔn)確可靠，另外還有結(jié)構(gòu)簡單，熱慣性小，動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點。因此在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛用熱電偶來測量溫度。熱電偶在雖然有以上優(yōu)點，在使用中會受到各種因素影響產(chǎn)生測量誤差。熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)中使用廣泛的接觸式測溫元件。熟悉其工作原理，掌握和分析測溫誤差的來源會在很大程度上提高溫度測量的準(zhǔn)確性。避免生產(chǎn)中不必要的損失出現(xiàn)。本文結(jié)合生產(chǎn)裝置一個溫度測量回路的介紹，分析了測量誤差產(chǎn)生的原因，提出解決的辦法，僅供參考。

一、熱電偶測溫基本原理
將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B連接起來，構(gòu)成一個閉合回路，就構(gòu)成熱電偶。如圖1所示。溫度t端為感溫端稱為測量端，溫度t0端為連接儀表端稱為參比端或冷端，當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個執(zhí)著點t和t0之間存在溫差時，就在回路中產(chǎn)生電動勢EAB(t,t0), 因而在回路中形成電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。這個電動勢稱為熱電勢，熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。熱電勢的大小與t和t0之差的大小有關(guān)，當(dāng)熱電偶的兩個熱電極材料已知時，由熱電偶回路熱電勢的分布理論知熱電偶兩端的熱電勢差可以用下式表示：
EAB(t,t0)＝EAB(t)－EAB(t0)
式中 EAB(t,t0)－熱電偶的熱電勢；
  EAB(t)－溫度為t時工作端的熱電勢；
  EAB(t0)－溫度為t0時冷端的熱電勢。
從上式可看出!當(dāng)工作端的被測介質(zhì)溫度發(fā)生變化時，熱電勢隨之發(fā)生變化，因此，只要測出EAB(t,t0)和知道EAB(t0)就可得到EAB(t)，將熱電勢送入顯示儀表進(jìn)行指示或記錄，或送入微機(jī)進(jìn)行處理，即可獲得測量端溫度t值。

二、使用誤差分析

1.絕緣變差而引入的誤差    熱電偶在使用一段時間后，保護(hù)管和接線板上的污垢或鹽渣過多致使熱電偶極間與爐壁間絕緣不良，在高溫下更為嚴(yán)重，這不僅會引起熱電勢的損耗而且還會引入干擾，由此引起的誤差有時可達(dá)上百攝氏度。
2.熱惰性引入的誤差    熱電偶測溫過程實際上是熱電偶與被測介質(zhì)間熱交換過程，需要一定的時間達(dá)到熱平衡，由于熱電偶的熱惰性使儀表的指示值落后于被測溫度的變化，在進(jìn)行快速測量時這種影響尤為突出。所以應(yīng)盡可能采用熱電極較細(xì)、保護(hù)管直徑較小的熱電偶。測溫環(huán)境許可時，甚至可將保護(hù)管取去。由于存在測量滯后，用熱電偶檢測出的溫度波動的振幅較爐溫波動的振幅小。測量滯后越大，熱電偶波動的振幅就越小，與實際爐溫的差別也就越大。當(dāng)用時間常數(shù)大的熱電偶測溫或控溫時，儀表顯示的溫度雖然波動很小，但實際爐溫的波動可能很大。為了準(zhǔn)確的測量溫度，應(yīng)當(dāng)選擇時間常數(shù)小的熱電偶。時間常數(shù)與傳熱系數(shù)成反比，與熱電偶熱端的直徑、材料的密度及比熱成正比，如要減小時間常數(shù)，除增加傳熱系數(shù)以外，zui有效的辦法是盡量減小熱端的尺寸。使用中，通常采用導(dǎo)熱性能好的材料，管壁薄、內(nèi)徑小的保護(hù)套管,比如高靈敏度的鎧裝熱電偶，采用變徑技術(shù)的小惰性熱電偶產(chǎn)品。在較精密的溫度測量中，使用無保護(hù)套管的裸絲熱電偶，但熱電偶容易損壞，應(yīng)及時校正及更換。3.熱阻誤差    一些高溫爐使用煤炭或焦油作為燃料，時間一長，保護(hù)管上就積有一層煤灰，焦炭塵埃附在上面，則熱阻增加，阻礙熱的傳導(dǎo)，這時溫度示值比被測溫度的真值低。因此，應(yīng)保持熱電偶保護(hù)管外部的清潔。三、熱電偶測溫儀表測量誤差主要來源有下面幾種情況1.熱電偶分度誤差    由于熱電倆的材料成分不能嚴(yán)格符合要求的復(fù)現(xiàn)及均勻性等原因，使熱電偶的熱電特性實際愉出電勢與標(biāo)準(zhǔn)分度稍有差別。2.由于補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶的熱電特性不*相同而帶來的誤差　　各種熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的允許誤差范圍如下:   　　  鉑佬—鉑熱電偶<O.03℃    　鎳格—鎳硅熱電偶<O.15℃    　鎳鉻—考銅熱電傭<0.15℃ 3.冷端溫度變化引起的誤差    冷端沮度補(bǔ)償如使用補(bǔ)償電橋，由于熱電偶電勢特性與補(bǔ)償電橋產(chǎn)生的電勢只能在設(shè)計點20℃或50℃得到*補(bǔ)償，其它溫度由于熱電偶特性的非線性，不能*吻合，會產(chǎn)生一定的誤差。其它方法冷端補(bǔ)償，由于測盆或其它原因，也會帶來一定的誤差4.由于熱電極的變質(zhì)    如應(yīng)力分布，氧化等使出廠后的熱電偶性能發(fā)生變化而帶來的誤差。5.絕緣不良引起的誤差    在使用熱電偶時，應(yīng)注意兩熱電偶電極之間及它們與地之間的絕緣，否則會引起電勢降低影響測量度。

三、解決辦法
    1.熱電偶的基本誤差:誤差是熱電偶本身固有的，還包括上一極標(biāo)準(zhǔn)的傳遞誤差。解決方法：可采用檢定校驗的方法使其控制在允許偏差范圍內(nèi)，也可在實際測溫中將熱電偶偏差進(jìn)行修正，得到的真實的溫度。

熱電偶材料不均勻性引起的誤差：此誤差和材料不均勻程度有關(guān)溫度變化越大，使熱電極各點溫度的差值越大，則材料不均勻性的影響也就越大。解決方法：可用退火的方法把它減弱，但無法*消除。

2.測量儀表的誤差：該誤差的大小是由儀表的精度等級決定的。

解決方法：應(yīng)定期檢定效準(zhǔn)，保證儀表的度等級。

3.動態(tài)誤差：溫度變化后，測溫儀表來不及立即指出變化了的溫度，因而引起讀數(shù)誤差。熱電偶時間常數(shù)的大小是決定動態(tài)誤差大小的主要因素。

解決方法：對于快送變化的溫度，由于測溫元件的熱憜性，動態(tài)誤差可能很大，必須采用小慣熱電偶或選取采樣數(shù)率較高的儀表解決。采用導(dǎo)熱性能好的材料做保護(hù)管，管壁要薄，內(nèi)徑要小。減小保護(hù)管與熱電偶測量端之間的空氣間隙。增加測量端介質(zhì)的流速，加快對流傳熱。

4.絕緣不良引起的誤差：熱電偶使用時兩熱電極間以及它們和大地之間應(yīng)有良好的絕緣，不然將會有熱電勢損耗，直接影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，嚴(yán)重時會影響儀表的正常運行。

解決方法：把熱電偶的引線接在鐵管內(nèi)，并將鐵管接地。把熱電偶懸空，熱電偶不與爐壁的耐火磚接觸。把參考端接地，在熱電偶（或補(bǔ)償導(dǎo)線）輸出端的一端，通過一個容量足夠大的電容接地。用屏蔽的方法，可使泄漏的電流經(jīng)過金屬屏蔽物直接接地，不在流入測量回路，從而消除干擾誤差。

5.熱交換引起的誤差。熱電偶測溫時，存在著復(fù)雜的熱交換過程。由于溫度的多次傳遞，測量端的溫度并不與被測介質(zhì)溫度*一致，因此產(chǎn)生測量誤差?？朔椒ㄓ袃煞N：一是確定傳遞誤差的大小，進(jìn)行修正。二是采取措施，使傳熱誤差減小到允許范圍內(nèi)。

6.輻射誤差解決方法：在管壁外面敷設(shè)絕熱層，減小管壁與被測介質(zhì)的溫差。減小保護(hù)管的外徑以及保護(hù)管、熱電極的黑度(輻射)系數(shù)。在熱電偶管壁間加裝防輻射罩，以減小之間的直接輻射。增加被測介質(zhì)流經(jīng)熱電偶測量端的流速，增加對流傳熱。

7.安裝不正確引入的誤差：熱電偶的安裝是否正確合理，對測量結(jié)果有著重要影響。

解決方法：熱電偶處于能夠真正代表被測介質(zhì)溫度的地方。熱電偶應(yīng)有足夠的插入深度，一般不少于熱電偶保護(hù)管外徑的8～10倍。防止熱損失。保護(hù)管露外部應(yīng)盡可能短，并加保溫層。若被測介質(zhì)具有負(fù)壓，熱電偶安裝必須嚴(yán)格密封，以免外界冷空氣進(jìn)入影響測量的準(zhǔn)確性。安裝地點，應(yīng)盡量避開其熱源、強(qiáng)磁場、電場的干擾。

8.現(xiàn)場使用引入的測量誤差。參考端溫度過高引入的測量誤差;參考端溫度過高的測量誤差分析; 因為補(bǔ)償導(dǎo)線在（0～100）℃范圍內(nèi)，補(bǔ)償導(dǎo)線熱電特性與熱電偶的熱電特性相同。超過此溫度范圍，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶熱電特性相差很大，從而造成測量誤差。

解決方法：熱電偶保護(hù)管與爐壁之間的空隙應(yīng)使用絕熱物堵塞，避免爐溫的熱輻射，使參考端保持在100℃以內(nèi)。

9.補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶接反引入的測量誤差;熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線極性接反測量誤差分析; 補(bǔ)償導(dǎo)線有正負(fù)之分，接反起不到補(bǔ)償作用，而且還會造成更大的誤差。根據(jù)中間溫度定律，如圖如果接法正確儀表接收到的熱電勢E總為：
E總=E(T,TA)＋E(TA, T0)　　　　　　﹙1﹚

如果補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶正負(fù)極接反，TA,和T0之間相當(dāng)于接入一個反向熱電勢，則儀表接收到的熱電勢E′總為：

E′總= E(T,TA)- E(TA, T0)　　　　　　﹙2﹚

上述兩種接法之差 △E總為：

E總= E總- E′總= E(T,TA)＋E(TA, T0) - E(T,TA)- E(TA, T0)

=2E(TA, T0)

補(bǔ)償導(dǎo)線接反所造成的誤差約為使用補(bǔ)償導(dǎo)線的兩倍的誤差。

解決方法：將補(bǔ)償導(dǎo)線正確連接。

9補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶型號不匹配引入的測量誤差;補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶型號不匹配引入的測量誤差分析; 補(bǔ)償導(dǎo)線在參考端溫度﹙0～100﹚℃范圍內(nèi)與所配熱電偶的熱電特性相同。﹙此間溫度所產(chǎn)生熱電勢各不相同﹚如圖

如果補(bǔ)償導(dǎo)線不匹配儀表總的熱電勢E′總為：

E′總= E1(T,TA)+E2(TA, T0)

假設(shè)把K型偶錯接為N型補(bǔ)償導(dǎo)線E1，E2分別為偶和補(bǔ)償導(dǎo)線。

E1(T,TA)＝E′總－E2(TA, T0)

可得出補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶型號不符將帶來較大的測量誤差。

解決方法：使用與熱電偶熱電特性相同補(bǔ)償導(dǎo)線連接。

10.不使用補(bǔ)償導(dǎo)線引入的測量誤差; 不使用補(bǔ)償導(dǎo)線引入的溫度測量誤差分析：根據(jù)均質(zhì)導(dǎo)體和中間溫度定律。（同性質(zhì)導(dǎo)體相接不能產(chǎn)生熱電勢）如圖

公式為:E(T, T0)=E(T , TA)+E(TA, T0)

因不用補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶熱電勢E(T, TA)=E(TA , TO)。

E′總=　E(T, T0) ； E (T, T0)=E(TA , TO)

解決方法：用同型號的補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶相連。
四、結(jié)束語
熱電偶測溫誤差除上述原因之外，還有其他因素也能影響測量，比如補(bǔ)償導(dǎo)線的極性的影響，參考端溫度的影響，顯示儀表或DCS本身的影響等等，從維護(hù)角度看，只要介質(zhì)溫度不是很高，應(yīng)盡量使用熱電阻來測量溫度，因為熱電阻不涉及補(bǔ)償導(dǎo)線和冷端補(bǔ)償問題，而且結(jié)構(gòu)簡單，方便易懂，投資與施工費用低等等。所以，在設(shè)計時測溫元件選型也很關(guān)鍵?？傊瑹o論采用什么測溫元件，能正確掌握熱電偶測溫原理，準(zhǔn)確分析誤差產(chǎn)生的根源，對于儀表維護(hù)人員來說*。