熱電偶如何正確使用及如何減少測量誤差
摘要：熱電偶是一種*簡單﹑*普通的溫度傳感器。在使用時不注意，也會引起較大測量誤差。針對當前存在的問題，詳細探討影響測量誤差的主要因素：熱電偶插入深度﹑響應時間﹑熱輻射及熱阻抗等，指出熱電偶絲不均質﹑鎧裝熱電偶分流誤差﹑K型熱電偶的選擇性氧化﹑K狀態﹑使用氣氛﹑絕緣電阻及熱電偶劣化等在使用中應注意事項。對提高測量精度，延長熱電偶壽命，有一定幫助。
關鍵詞：響應時間； 熱輻射； 分流誤差； K狀態； 熱電偶劣化
1. 前言
在現有的測溫系統中，*常用的溫度傳感器—熱電偶，因其結構簡單，往往被誤認為“熱電偶兩根線，接上就完事”，其實并非如此。熱電偶的結構雖然簡單，但在使用中仍然會出現各種問題。例如：安裝或使用方法不當，將會引起較大的測量誤差，甚至檢定合格的熱電偶也會因操作不當，在使用時不合格，在滲碳等還原性氣氛中，如果不注意，K型熱電偶也會因選擇性氧化而超差。
為了提高測量精度，減少測量誤差，延長熱電偶使用壽命，要求使用者不僅應具備儀表方面的操作技能，而且還應具有物理、化學及材料等多方面知識。作者根據多年實踐，并參閱有關資料較詳細地介紹熱電偶的正確使用及測量誤差。
2．測量誤差的主要影響因素
1）插入深度的影響
- 測溫點的選擇。熱電偶的安裝位置，即測溫點的選擇是*重要的。測溫點的位置，對于生產工藝過程而言，一定要具有典型性、代表性，否則將失去測量與控制的意義。
- 插入深度。 熱電偶插入被測場所時，沿著傳感器的長度方向將產生熱流。當環境溫度低時就會有熱損失。致使熱電偶與被測對象的溫度不一致而產生測溫誤差。總之，由熱傳導而引起的誤差，與插入深度有關。???插入深度又與保護管材質有關。金屬保護管因其導熱性能好，其插入深度應該深一些（約為直徑的15—20倍），陶瓷材料絕熱性能好，可插入淺一些（約為直徑的10-15倍）。對于工程測溫，其插入深度還與測量對象是靜止或流動等狀態有關，如流動的液體或高速氣流溫度的測量，將不受上述限制，插入深度可以淺一些，具體數值應由實驗確定。
- 響應時間的影響
接觸法測溫的基本原理是測溫元件要與被測對象達到熱平衡。因此，在測溫時需要保持一定時間，才能使兩者達到熱平衡。而保持時間的長短，同測溫元件的熱響應時間有關。而熱響應時間主要取決于傳感器的結構及測量條件，差別極大。對于氣體介質，尤其是靜止氣體，至少應保持30min以上才能達到平衡；對于液體而言，*快也要在5min以上。
對于溫度不斷變化的被測場所，尤其是瞬間變化過程，全過程僅1秒鐘，則要求傳感器的響應時間在毫秒級。因此，普通的溫度傳感器不僅跟不上被測對象的溫度變化速度出現滯后，而且也會因達不到熱平衡而產生測量誤差。*好選擇響應快的傳感器。對熱電偶而言除保護管影響外，熱電偶的測量端直徑也是其主要因素，即偶絲越細，測量端直徑越小，其熱響應時間越短。測溫元件熱響應誤差可通過下式確定[1]。
Δθ=Δθ0exp（-t/τ）（2—1）
式中 t—測量時間S，
Δθ—在 t時刻，測溫元件引起的誤差，K或℃
Δθ0—“t=0” 時刻，測溫元件引起的誤差，K或℃
τ—時間常數S
e —— 自然對數的底（2.718）
因此，當t=τ時，則Δθ=Δθ0/e即為0.368，
如果當t=2τ時,則Δθ=Δθ0/e2即為0.135。
當被測對象的溫度,以一定的速度α(k/s或℃/s)上升或下降時,經過足夠的時間后,所產生的響應誤差可用下式表示：
Δθ∞=-ατ（2—2）
式中Δθ∞—經過足夠時間后，測溫元件引起的誤差。
由式（2—2）可以看出，響應誤差與時間常數（τ）成正比，表1，2給出裝配式與鎧裝式熱電偶響應時間的實驗結果，可供參考[1]。為了提高檢定效率許多企業采用自動檢定裝置，對入廠熱電偶進行檢定，但是，該裝置也并非十分完善。二汽變速箱廠熱處理車間就發現如果在400℃點的恒溫時間不夠，達不到熱平衡，就容易發生誤判。
表1K型熱電偶響應時間
| 熱電偶絲直徑（mm） | 保護管 | 響應時間 （τ） | 溫度變化范圍 （°C） | 外部條件 |
| 材質 | 規格（mm） |
| 3.2 | SUS304 | 外徑22 | 6 分55 秒 | 常溫 → 600 | 燃氣爐中 |
| 內徑16 | 2 分52 秒 | 600 → 常溫 | 靜止冷水 |
| 1.6 | SUS304 | 外徑15 | 3 分32 秒 | 常溫 → 600 | 燃氣爐中 |
| 內徑11 | 40 秒 | 1000 → 常溫 | 靜止冷水 |
| 1.0 | SUS304 | 外徑12 | 1 分14 秒 | 常溫 → 950 | 燃氣爐中 |
| 內徑8 | 2 分28 秒 | 950 → 常溫 | 自然空冷 |
| 3.2 | 只有絕緣管無外保護管 | 49 秒 | 常溫 → 950 | 燃氣爐中 |
| 1 分32 秒 | 900 → 常溫 | 自然空冷 |
| 1.6 | 只有絕緣管無外保護管 | 27 秒 | 常溫 → 900 | 燃氣爐中 |
| 52 秒 | 900 → 常溫 | 自然空冷 |
表2鎧裝熱電偶響應時間
| 鎧裝熱電偶外徑 （mm） | 響應時間(τ) | 溫度變化范圍 (℃) | 外部條件 |
| 接殼型 | 絕緣型 |
| 0.25 | 0.007秒 | 0.012秒 | 常溫→100 | 沸騰水中 |
| 0.5 | 0.027秒 | 0.031秒 | 常溫→100 | 沸騰水中 |
| 0.03秒 | 0.05秒 | 常溫→100 | 沸騰水中 |
| 1.0 | 0.077秒 | 0.117秒 | 常溫→100 | 沸騰水中 |
| 0.7秒 | 0.12秒 | 常溫→100 | 沸騰水中 |
| 1.6 | 0.15秒 | 0.2秒 | 0→100 | 沸騰水中 |
| 0.18秒 | 0.26秒 | 常溫→100 | 沸騰水中 |
| 2.3 | 0.26秒 | 0.41秒 | 常溫→100 | 沸騰水中 |
| 3.2 | 0.4秒 | 0.5秒 | 0→100 | 沸騰水中 |
| 0.46秒 | 0.9秒 | 常溫→100 | 沸騰水中 |
| 4.8 | 0.73秒 | 1.2秒 | 0→100 | 沸騰水中 |
| 1.6秒 | 2.4秒 | 常溫→100 | 沸騰水中 |
| 6.4 | 1.2秒 | 2.4秒 | 0→100 | 沸騰水中 |
| 2.2秒 | 3.7秒 | 常溫→100 | 沸騰水中 |
| 8.0 | 2.1秒 | 3.9秒 | 0→100 | 沸騰水中 |
| 4.0秒 | 5.8秒 | 常溫→100 | 沸騰水中 |
插入爐內用于測溫的熱電偶，將被高溫物體發出的熱輻射加熱。假定爐內氣體是???明的，而且，熱電偶與爐壁的溫差較大時，將因能量交換而產生測溫誤差。
在單位時間內，兩者交換的輻射能為P，可用下式表示：
P=σε（Tw4 - Tt4 ）（2—3）
式中σ—斯忒藩—波爾茲常數
ε—發射率
Tt—熱電偶的溫度 , K
Tw—爐壁的溫度 ,K
在單位時間內,熱電偶同周圍的氣體（溫度為T）,通過對流及熱傳導也將發生熱量交換的能量為P′
P′=αA（T-Tt）（2—4）
式中 α—熱導率
A— 熱電偶的表面積
在正常狀態下，P= P′，其誤差為：
Tt-T=σε（Tt4-Tw4）/αА（2—5）
對于單位面積而言其誤差為
Tt-T=σε（Tt4-Tw4）/α（2—6）
因此，為了減少熱輻射誤差，應增大熱傳導，并使爐壁溫度Tw ，盡可能接近熱電偶的溫度Tt。另外，在安裝時還應注意：
- 熱電偶安裝位置，應盡可能避開從固體發出的熱輻射，使其不能輻射到熱電偶表面；
- 熱電偶*好帶有熱輻射遮蔽套。
- 熱阻抗增加的影響
在高溫下使用的熱電偶，如果被測介質為氣態，那么保護管表面沉積的灰塵等將燒熔在表面上，使保護管的熱阻抗增大；如果被測介質是熔體，在使用過程中將有爐渣沉積，不僅增加了熱電偶的響應時間，而且還使指示溫度偏低。因此，除了定期檢定外，為了減少誤差，經常抽檢也是必要的。例如，進口銅熔煉爐，不僅安裝有連續測溫熱電偶，還配備消耗型熱電偶測溫裝置，用于及時校準連續測溫用熱電偶的準確度。
熱電偶如何正確使用及如何減少測量誤差
