热电偶测量误差及其注意事项

1、热电偶是一种最简单、最普通的温度传感器。可是如果在使用中不注 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-定帮助。1.刖吕在现有的测温系统中，最常用的温度传感器一热电偶，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

2、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测量误差及其注 意事项。2测量误差的主要影响因素2.1插入深度的影响（1）测温点的选择 热电偶的安装位置，即测 温点的选择是最重耍的。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。（2）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

3、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 入深度应该深一些（约为直径的1520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。2.2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

4、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，最快也要在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。最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1o ae=a0oexp (

5、-vt)(2-1)式中t测量时间s, &在t时刻，测温元件引起的误差， k或°c a0ot=on时刻，测温元件引起的误差，k或°c t时间常 数s e 自然对数的底(2.718)因此，当e 吋，则ae=a60/e 即为0.368,如果当t=2t时，则ae=a0o/e2即为0.135。当被测对 象的温度,以一定的速度a(k/s或。c/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：aeat (22)式屮 g经过足够时间后，测温元件引起的误斧。由式(22)可以看 出，响应误差与时间常数(t)成正比。为了提高检定效率许多企业 采用自动检定装置，对入厂热

6、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°c点的恒温时间 不够，达不到热平衡，就容易发生误判。2.3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=oe (tw4 - tt4 )(23)式屮o'斯忒藩一波尔兹常数£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=aa (t

7、-tt) (2 4)式中a热导率a热电偶的表面积 在正常状态下，p二p', 其误差为：tt-t=ae (tt4-tw4) /aa (25)对于单位面积而言 其误差为tt-t=ae (tt4-tw4) /a (26)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 tto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；热电偶最好 带有热辐射遮蔽套。2.4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

8、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。3.热电偶测温应注意的事项3.1热电偶丝不均质影响(1)热电偶材质本身不均质 热电偶在计 量室检定时，按规程要求，插入检定炉内的深度只有300mm。因此 每支热电偶的检定结果，确切的说只能体现或主要体现出从测量端开 始300mm长偶丝的热电行为，然而，当热电偶的长度较长时，贝9大 部分偶丝处于高温区，如果热电偶丝是均质的，那么依据均质回路定 则，测

9、量结果与长度无关。然而，热电偶丝并非均质，尤其是廉金属 热电偶丝其均质性较差，又处于具有温度梯度的场合，那么其局部将 产生热电动势，该电动势称为寄生电势。由寄生电势引起的误差称为 不均质误差。在现有的贵金属、廉金属热电偶检定规程中，对热电 偶的不均质尚未作出规定，只有在热电偶丝材标准中，对热电偶丝的 不均匀性有-定要求。对廉金属热电偶采用首尾检定法求出不均匀热 电动势。止规热电偶丝材生产厂，均按国家标准要求，生产出不均匀 热电动势符合耍求的产品。(2)热电偶丝经使用后产生的不均质 对于新制的热电偶，即使是不均匀热电动势能满足要求，但是，反复 加丄、弯曲致使热电偶产生加工畸变，也将失去均质性，而

10、且使用中 热电偶长期处于高温下也会因偶丝的劣化而引起热电动势变化，例如: 插入工业炉中的热电偶，将沿偶丝长度方向发生劣化，并随温度增高， 劣化增强，当劣化的部分处于具有温度梯度的场所，也将产生寄生电 动势叠加在总热电动势中而出现测量误差。作者在实践中发现有的 热电偶经计量部门检定合格的产品(多为廉金属热电偶)到现场使用 时却不合格。再返回到计量部门检定仍然合格，其中主要原因就是偶 丝不均质引起的。生产热电偶的技术人员都切身体会到，热电偶的不 合格率也随其长度的增加而增加。皆是受热电偶丝材不均质的影响。 总之，由不均质即寄生电动势引起的误差，取决于热电偶丝自身的不 均质程度及温度梯度的大小，对其

11、定量极其困难。3.2铠装热电偶的分流误差(1)分流误差瓦轴集团渗碳炉用铠装 热电偶，仅使用一周就不准了。为探讨原因，作者曾到现场考察，但 未发现异常，只好从炉了上取下來经计量室检定结果合格。那么问题 何在呢？最后，根据该支热电偶的现场安装特点，经研究发现，上述 问题是铠装热电偶的分流误差造成的。所谓分流误差即用铠装热电 偶测量炉温时，当热屯偶屮间部位有超过80ctc的温度分布存在时, 因其绝缘电阻下降，热电偶示值出现异常的现象，称为分流误差。依 据均质回路定则，用热电偶测温只与测量端与参考端两端温度有关, 与中间温度分布无关。可是由于铠装热电偶的绝缘物是粉末状mgo, 温度每升高100

12、6;c,其绝缘电阻下降一个数量级，当中间部位温度较 高时，必定有漏电流产生，致使在热电偶输出电势中有分流误差出现。表1铠装热电偶产生分流误差的条件 影响因素条件 铠装热电偶的 立径中间部位的温度中间部位加热带长度中间部位加热带位置 绝缘电阻热电偶丝电阻直径越细，越容易产生误差。中间部位的温 度超过800°c,容易产生分流误差。中间部位加热带长度越长,越容易 产生分流误差。中间部位加热带位置距测量端越远，越容易产生分流 误差。绝缘电阻越低，越容易产生分流误差。k型与s型相比, k型热电偶丝电阻比s型电阻大，故更容易产生分流误差。 外径 相同的铠装热电偶，热电偶丝越细，越容易产生分流误差

13、。（2）分 流误差产生的条件 将铠装热电偶水平插入炉内，其规格及实验条件 为：直径中4.8mm,长度为25m,屮间部位加热带的长度为20m,温度 为1000°co本次实验中，热电偶的测量端与中间部位的温斧为200°co 如果测量端温度高于中间部位，则产牛负误差;相反，则产牛正误差。如果两者的温差为200°c,那么，分流误差约为100°co这是绝对不能忽视的，分流误差的产&条件与铠装热电偶种类和直径等因素有关2,见表仁3.3分流误差的影响因素及对策 高温下铠装热电偶产生分流误差的 现象，正在引起人们的重视，因此有必要了解分流误差的影响因素, 并采取

14、适当对策以减少或消除分流误差的影响。（1）铠装热电偶直 径 对于长度为9米的k型铠装热电偶（mgo绝缘），只将热电偶中 间部位加热。实验结果表明：分流误差的大小与其直径的平方根成反 比（直径过细，不遵守此规律），即直径越细，分流误差越大。当 中间部位温度高于800°c时，对于中3.2mm铠装热电偶将产生分流 误差。但对于06.4mm及中8mm铠装热电偶，当中间部位的温度为 900°c时，仍未发现分流误差。对于中6.4mm（热电极丝直径为中1.4 mm）与中8mm （热电极丝直径为中2.0mm）的铠装热电偶，当中间 部位温度为1100°c时，直径为08mm的铠装热电

15、偶产生的分流误差 仅为中6.4mm的一半。此数值（50%）近视于两种铠装热电偶电极 丝直径的平方比（1.42/2.02 ），而电极丝直径平方比,即为电极丝的 电阻比。因此，为了减少分流误差，应尽可能选用粗直径的铠装热电 偶。（1）中间部位的温度 如果中间部位的温度超过80ctc,有可能 产生分流误差，其大小将随温度的升高，杲指数关系增大。因此，除 测量端外，其它部位应尽可能避免超过800°c o （2）中间部位加热带 长度及位置当中间部位加热带温度高于800°c时，其加热带的长度 越长，距离测量端越远，分流误差越大。因此，应尽可能缩短加热带 长度，并且，不要在远离测量端处加

16、热，以减少分流误差。（3）热 电偶丝的电阻当铠装热电偶的直径相同时，分流误差将随热电偶丝 的电阻增大而增加。因此，采用电阻小的热电偶丝更好。例如：直径 相同的s型铠装热电偶同k型热电偶相比,其分流误差减少40% o 因此，可釆用s型热电偶测量炉内温场分布，费用虽高，但较准确。（4）绝缘电阻高温下氧化物的电阻率将随温度的升高呈指数降低， 分流误差的大小主要取决于高温部分的绝缘性能，绝缘电阻越低，越容 易产生分流误差。当绝缘电阻增加10倍或减少至1/10时，其分流误 差也随z减少至1/10或增大10倍。为了减少分流误差，应尽可能采 用直径粗的铠装热电偶，增加绝缘层厚度。如果上述措施无效时，只 好采

17、用装配式热电偶。3.4短程有序结构变化（k状态）的影响k型热电偶在250°c600°c 温度范围内使用时，由于其显微结构发生变化，形成短程有序结构, 因此将影响热电势值而产生误差，这就是所谓的k状态3。它是ni cr合金特有的晶格变化，当cr含量在530%范围内存在着原子 品格的有序 无序转变。rfl此而引起的误差，因cr含量及温度的不同 而变化。将k型热电偶从300°c加热至800°c,每50°c取一点，测 量该点电势。在450°c时偏差最大可达4°c,在350600°c范围内， 均为正偏差。由于k状态的存在，使

18、k型热电偶在升温或降温检定 结果不致，故在廉金属热电偶检定规程中明文规定检定顺序：由低 温向高温逐点升温检定。而且在400°c检定点，不仅传热效果不佳, 难以达到热平衡，而且，乂恰好处于k状态误差最大范围。因此， 对该点判定合格与否时应很慎重。ni-cr合金短程有序结构变化的 现象，不仅存在于k型，而且，在e型热电偶正极中也有此现象。 但是，作为变化量e型热电偶仅为k型的2/3o总乙k状态与温度、 时间有关，当温度分布或热电偶位置变化时，其偏差也会发生很大变 化。故难以对偏差大小作岀准确评价。3.5使用气氛的影响（1）选择性氧化 对于含fe的nicr合金，如 果氧分压低于特定值，那么

19、同02亲和力大的c,将发生选择性氧化, 这是ni-cr合金特有的晶界氧化。如用显微镜观察外表面氧化层， 就可以看到绿色析出物，这种现象通常称为“绿蚀蔦尤其是当温度在 800°c1050°c范围内，体系内又含有co, h2等还原性气体时，k 型热电偶的正极，更容易发生选择性氧化。这种因cr含量降低而引 起的热电势偏低，已成为k型热电偶在热处理行业长期使用的限制 因素。如果采用的气体很纯，并且系统中不含氧，可以延长热电偶 使用寿命。可是，如果热电偶丝表面有氧化层吋，仍可为cr的选择 性氧化提供足够的氧。因此，在非氧化性气氛中使用时，应采用干净、 抛光的偶丝。同时，应尽可能避免在

20、带有微量氧的惰性气体或氧分压 很低的空气中使用。当保护管长径比较大时（即保护管很细），由于 空气循环不良，形成缺氧状态，其残余的少量氧仍可为cr的选择性 氧化提供条件。（2）选择性氧化的对策为了防止或减缓k型热电偶 因选择性氧化而引起劣化，除了在材质方面加以改善外，还应在热电 偶结构上采取相应对策： 选择对氧亲和力较cr更强的金属作为 吸气剂，封入保护管内，防止cr发生选择性氧化，也可以采用增加 保护管直径或吹气的方法增加氧含量。 装配式热电偶实体化。作 者开发的专利产品一实体型渗碳炉用热电偶，即开发出具有密封结构 的装配式热电偶，可防止cr发生选择性氧化，经瓦轴集团，一汽， 二汽，易普森工业

21、炉，沈重，沈齿，钱江摩托等十儿家企业多年使用 证明，此方案有效。使用寿命在12个月以上，用户很满意4。(3) 使用气氛的影响热电偶的稳定性，因使用温度，气氛不同各异，对 同一种传感器，如k型热电偶的最高使用温度也因直径不同而变化， 直径相同的k型热电偶也因结构的不同，其稳定性也有很大差异。在选择热电偶时，必须针对使用条件考虑如下儿点： 常用温度及 最高使用温度氧化还原等使用气氛抗振动性能对于装配式 热电偶而言，气氛的影响，首先取决于保护管材质及热电偶结构，因 此，熟悉、掌握各种保护管材料的物理、化学性能是很必要的。例如： 在粉末冶金行业中，常用钮管作为热电偶保护管。在1600°c的h

22、2 气氛下，使用效果较好。然而，钳管在氧化性气氛下，很短时间就因 氧化而蚀损。其次，应根据使用气氛，选择合适的热电偶，在1300°c 以上的氧化性气氛中，选择钳错热电偶，在还原性、真空条件下采用 钙铢热电偶较好。对于k型热电偶，适于在空气、02等气氛中工 作，但在h2中使用时，其表面被h2还原，短时间无影响，如果长 时间暴露在h2中，在加速还原的同吋，将使偶丝发工晶粒长大而断 线；在co或煤气等还原性气氛中，其劣化将显著加快而超差。对 于铠装热电偶，氢的原了半径很小，容易透过外套进入其内部，同样 也将加速劣化，致使热电势值大幅度降低。（4）绝缘电阻的影响热 电偶用绝缘物，在高温下，其绝缘电阻随温度升高而急骤降低，因此， 将有漏电流产生，该电流通过绝缘电阻已经下降的绝缘物流入仪表, 使仪表指示