热电偶测量误差及其注意事项

摘要：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，有一定帮助。
1. 前言
在现有的测温系统中，最常用的温度传感器—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。
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，则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一定要求。对廉金属热电偶采用首尾检定法求出不均匀热电动势。正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要求的产品。
（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，反复加工、弯曲致使热电偶产生加工畸变，也将失去均质性，而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，只好从炉子上取下来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，当热电偶中间部位有超过800°C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°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。

（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ф4.8mm,长度为25m,中间部位加热带的长度为20m，温度为1000℃。本次实验中，热电偶的测量端与中间部位的温差为200℃。如果测量端温度高于中间部位，则产生负误差；相反，则产生正误差。如果两者的温差为200℃，那么，分流误差约为100℃。这是绝对不能忽视的，分流误差的产生条件与铠装热电偶种类和直径等因素有关[2]

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℃时，对于ф3.2mm铠装热电偶将产生分流误差。但对于ф6.4mm及ф8mm铠装热电偶，当中间部位的温度为900℃时，仍未发现分流误差。对于ф6.4mm(热电极丝直径为ф1.4mm)与ф8mm（热电极丝直径为ф2.0mm）的铠装热电偶，当中间部位温度为1100℃时，直径为ф8mm的铠装热电偶产生的分流误差仅为ф6.4mm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。

（2）中间部位的温度
如果中间部位的温度超过800℃，有可能产生分流误差，其大小将随温度的升高，呈指数关系增大。因此，除测量端外，其它部位应尽可能避免超过800℃。
1）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℃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%。因此，可采用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，其分流误差也随之减少至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℃—600℃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5—30%范围内存在着原子晶格的有序无序转变。由此而引起的误差，因Cr含量及温度的不同而变化。将K型热电偶从300℃加热至800℃，每50℃取一点，测量该点电势。在450℃时偏差最大可达4℃，在350—600℃范围内，均为正偏差。由于K状态的存在，使K型热电偶在升温或降温检定结果不一致，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℃检定点，不仅传热效果不佳，难以达到热平衡，而且，又恰好处于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2/3。总之，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出准确评价。