热电偶的测量误差及其注意事项和安装方法

解决和安装热电偶问题，zui常用温度传感器。 但是，如果在使用过程中不注意，也可能引起较大的测量误差。 针对目前存在的问题，详细探讨影响测量误差的因素:指出热电偶插入深度、响应时间、热辐射和热阻等热电偶线不均匀、鞘热电偶分流误差、k型热电偶选择氧化、k状态、使用环境、绝缘电阻和热电偶老化等使用中的注意事项。 有助于提高测量精度，延长热电偶的寿命。

关键词:测量误差注意事项分流误差k状态热电偶老化

1 .前言

传统测温系统中zui常用的温度传感器>； 热电偶由于其结构简单，&ldquo； 热电偶的两条线连接起来&rdquo； 事实并非如此。 热电偶的结构简单，但在使用过程中会出现各种问题。 例如，如果安装和使用方法错误，会引起较大的测量误差，检定合格的热电偶也会因为操作错误，使用时不合格，或者在渗碳等还原性气氛中不注意的话，k型热电偶也会因为选择氧化而变得严重。

为了提高测量精度，减少测量误差，延长热电偶的寿命，使用者不仅要求具备仪表面的操作技能，还要求具备物理、化学、材料等多方面的知识。 作者在多年实践的基础上，参照有关资料详细介绍了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zui的关键。 测温点的位置在生产过程中必须是典型的、非典型的，否则会丧失测量和控制的意义。

(2)插入深度

热电偶插入被测量场所后，沿传感器的长度方向产生热流。 环境温度低的话会有热损失。 热电偶与被测量对象的温度不一致，产生测温误差。 也就是说，热传导引起的误差与插入深度有关。 插入深度与保护管的材质有关。 金属保护管热传导性好，其插入深度必须深(直径约15) 20倍)，陶瓷材料绝热性能好，可以插入浅(直径约10-15倍)。 关于工程的测温，其插入深度也与测量对象静止或流动等状态有关。 例如，流动的液体和高速气流的温度的测定不受上述限制。 插入深度可以很浅。 具体数值应由实验决定。

2.2响应时间的影响

接触法测温的基本原理是测温元件与被测者实现热平衡。 因此，测温时需要保持一定的时间，使两者达到热平衡。 保持时间的长度与测温元件的热响应时间有关。 热响应时间主要根据传感器的结构和测量条件而有很大差异。 对于气体介质，特别是静止气体，在为了取得平衡必须保持至少30min以上的液体中，zui也立即变成5min以上。

对于温度不断变化的被测场所，特别是瞬间变化的过程，全过程要求仅为1秒，传感器的响应时间要求为毫秒水平。 因此，一般的温度传感器不仅会使被测定对象的温度变化速度产生延迟，还会因未达到热平衡而产生测定误差。 zui最好选择响应快的传感器。 对热电偶来说，除保护管的影响外，热电偶的测量端径也是其主要因素，偶数线越细，测量端径越小，热响应时间越短。 测温元件的热响应误差可通过下式求出[1]。

&Delta； &希塔； =&Delta； &希塔； 0exp(-t/&tau； (2) 1)1)

式中t>； 测量时间s，

&Delta； &希塔； <； br/>； t时刻测温元件引起的误差、k或℃

&Delta； &希塔； 0>； &ldquo； t=0&rdquo； 时刻、测温元件引起误差、k或℃

&tau； <； br/>； 时间常数s

e>； 自然对数底数( 2.718 )

因此，t=&tau； 时间是&Delta； &希塔； =&Delta； &希塔； 0/e为0.368

t=2&tau时为&Delta； &希塔； =&Delta； &希塔； 0/e2等于0.135。

被测量对象温度以一定的速度&alpha； ( k/s或℃/s )上升或下降时，若经过充分的时间，则产生的响应误差由下式表示

&Delta； &希塔； &infin； =-&alpha； &tau； (2)。 中所述情节，对概念设计中的量体体积进行分析

式中&Delta； &希塔； &infin； <； br/>； 经过充分的时间后，测温元件引起的误差。

由式(2) 2)响应误差和时间常数( &tau； 成正比。 为了提高检定效率，很多企业都采用了自动检定装置，对进入工厂的热电偶进行了检定，但是这个装置还不够完善。 二汽变速箱工厂的热处理厂，如果400℃的恒温时间不够的话，很容易误判为没有达到热平衡。

2.3热辐射的影响

插入炉内的测温用热电偶被高温物体的热辐射加热。 炉内气体透明，而且热电偶和炉壁的温度差大时，会因能量交换而产生测温误差。

在单位时间内，两者交换的辐射能量为p，用下式表示

P=&sigma； &epsilon； ( tw4-tt4)(2>； (3)。

式中&sigma； <； br/>； 斯泰藩玻尔兹常数

&epsilon； <； br/>； 发射率

tt>； 热电偶温度，k

tw>； 炉壁温度，k

单位时间内热电偶和周围气体(温度t )通过对流和热传导进行热交换的能量为P&prime；

P&prime； =&alpha； a(t-tt)(2>； (4)。

式中&alpha； <； br/>； 导热系数

a； 热电偶的表面积

在正常状态下，P= P&prime； 误差如下:

Tt-T=&sigma； &epsilon； ( Tt4-Tw4)/&alpha； б(2) 5)5)

单位面积误差

Tt-T=&sigma； &epsilon； ( Tt4-Tw4)/&alpha； (2)。 中所述情节，对概念设计中的量体体积进行分析

因此，为了减少热辐射误差，增大热传导，使炉壁温度Tw尽可能接近热电偶的温度Tt。 此外，安装时还要注意以下几点

热电偶的安装位置应尽量避免来自固体的热辐射，避免辐射到热电偶表面，热电偶zui最好具有热辐射屏蔽罩。 2.4热阻增加的影响

高温下使用的热电偶，如果被检测介质是气体，则堆积在保护管表面的灰尘等溶解在表面，保护管的热阻增大的被检测介质是熔体，则在使用中熔渣堆积，不仅热电偶的响应时间增加，指示温度也降低。 因此，除定期检定外，为了减少误差，还需要经常进行吸引检查。 例如，进口铜熔炉不仅具备连续测温热电偶，还具备消耗型热电偶测温装置，及时校正连续测温用热电偶的精度。

3 .热电偶的老化和寿命

3.1热电偶的劣化

热电偶的寿命与老化有关，热电偶的老化是一种使用热电偶老化的现象。 由金属和合金构成的热电偶，在高温下内部的晶粒逐渐成长。 同时，合金中含有少量的杂质，其位置和形状也发生变化，并且对周围环境中的还原和氧化性气体也发生反应。 随着上述变化，热电偶的热电动势也极为敏感地变化。 因此，热电偶的老化现象是不可避免的。

3.2热电偶的寿命

热电偶的老化是一个量化过程，定量困难，随热电偶的种类、直径、使用温度、气氛、时间而变化。 所谓热电偶的寿命，是指热电偶超过允许误差而劣化，即使断线也无法使用的时间。

(1)组装式热电偶的寿命

我国标准只要求热电偶的稳定性。 在某一温度下经过200h，规定使用前后热电动势的变化。 但是，还没有发现寿命有规定。 关于日本的热电偶的寿命的要求是JIS(C-1602-1995 )标准中规定的热电偶的连续使用时间。 b、r、s型热电偶为2000h、k、e、j、t型热电偶为10000h。

实际使用时，组装式热电偶通常有保护管，仅在特殊情况下裸线使用。 因此，保护管的寿命往往决定热电偶的寿命。 热电偶实际寿命的判断，通过长期收集和累积实际使用状态下的数据，可以得出更准确的结果[5]。

(2)护套热电偶的寿命

由于护套热电偶有护套保护，护套材质对护套热电偶寿命的影响很大，必须根据用途选择热电偶导线和金属护套。 选择材质后，随着护套热电偶直径的增大寿命也会变长。 铠装热电偶与组装式热电偶相比有很多优点，但多数情况下寿命比组装式热电偶短。

4 .热电偶测温应注意的事项

4. 1热电偶丝斑的影响

(1)热电偶的材质本身不均匀

热电偶在计量室检测时，根据规程的要求，插入检测炉内的深度仅为300mm。 因此，各热电偶的检定结果，准确地说只能表现距离测定端300mm的灯丝的热电行为，但是，热电偶的长度长的情况下，大部分灯丝处于高温区域，如果热电偶的灯丝均质，则根据均质电路的规律，测定结果与长度无关。 但是，热电偶线材不均质，特别是廉价的金属热电偶线材均质性差，在有温度梯度的情况下，局部产生热电动势，将该电动势称为寄生电位。 寄生电位引起的误差称为不均匀误差。

现有的贵金属、廉价金属热电偶检定规程中，没有规定热电偶的不均匀性，在热电偶芯线基准中，对热电偶芯线的不均匀性有一定的要求。 对廉价金属热电偶采用首尾检验法求出不均匀的热电动势。 正规热电偶的线材制造商，按照国家的标准，生产不均匀的热电动势满足要求的产品。

(2)使用热电偶丝后产生的不均质性

新型热电偶可满足不均匀的热电动势要求，但反复加工弯曲会使热电偶产生加工变形，失去均匀性，而且即使使用中的热电偶长期变高，热电动势也会因灯丝的劣化而变化。 例如，插入工业炉的热电偶沿着灯丝的长度方向劣化，随着温度变高劣化变强，劣化的部分处于具有温度梯度的场所时，寄生电动势与总热电动势重叠，产生测定误差。

作者在实践中发现，某热电偶在计量部门认定的产品(多为贱金属热电偶)在现场使用时不合格。 再次返回计量部门检定合格，其主要原因是偶然线的不均质。 生产热电偶的技术人员实际感受到热电偶的不良率也会随着其长度的增加而增加。 均受热电偶线材不均质性的影响。 也就是说，不均质即寄生电动势引起的误差依赖于热电偶芯线自身的不均质度和温度梯度的大小，其定量极其困难。

4.2护套热电偶的分流误差

(1)分流误差

瓦轴集团碳渗炉用护套热电偶只能使用一周。 为探讨原因，作者曾去过现场，未发现异常，应从炉中取出并通过计量室检定结果。 那么问题是什么呢？ zui后，根据该支热电偶现场设置的特点，研究了上述问题是由鞘热电偶的分流误差引起的。

所谓分流误差，是指用鞘热电偶测量炉温时，在热电偶的中间部存在超过800°的c的温度分布的情况下，其绝缘电阻降低，热电偶的显示值变得异常的现象称为分流误差。 根据均质电路的规律，用热电偶测温的只有测量端和基准端的两端温度，与中间温度分布无关。 但是，由于鞘热电偶的绝缘物为粉末状MgO，因此温度每上升100°； c，其绝缘电阻下降一位数，中间部的温度高的话一定会产生漏电流，在热电偶的输出电位上会出现分流误差。

表1护套热电偶产生分流误差的条件

影响因素条件护套热电偶的直径中间部的温度中间部加热带长中间部加热带位置绝缘电阻热电偶芯线电阻直径越细越容易产生误差。 中部温度超过800℃，容易产生分流误差。 中间部加热带的长度越长，越容易产生分流误差。 中间部加热带的位置越远离测量端，越容易发生分流误差的绝缘电阻越低，越容易发生分流误差。 ①K型与s型相比，k型热电偶的导线电阻大于s型，因此容易发生分流误差。 ②在外径相同的铠装热电偶中，热电偶导线束越细，分流误差越容易发生。

(2)产生分流误差的条件

将铠装热电偶水平插入炉内，直径为ф4.8mm、长度为25m、中间部加热带的长度为20m、温度为1000℃。 在此次实验中，热电偶的测量端和中间部的温度差为200℃。 如果测量端温度高于中间部分，则产生负误差。相反，产生正误差。 若两者温度差为200℃，分流误差约为100℃。 这是不可忽视的，分流误差的发生条件与鞘热电偶的种类和直径等因素有关[2]，请参照表1。

4.3分流误差的影响因素及对策

由于在高温下护套热电偶发生分流误差的现象受到人们的重视，因此必须采取适当措施来了解分流误差的影响因素，并减少或消除分流误差的影响。

(1)护套热电偶直径

对于长9米的k型护套热电偶( MgO绝缘)，只加热热电偶的中间部分。 实验结果表明，分流误差的大小与直径的平方根成反比(直径越细，不遵守该法则)，即直径越细，分流误差越大。

中间部的温度超过800℃时，在ф3.2mm护套热电偶中产生分流误差。 但是，对于ф6.4mm及ф8mm铠装热电偶，中间部的温度为900℃时，未发现分流误差。 在φ6.4mm (热电极线直径φ1.4 mm )和φ8mm (热电极线直径ф2.0mm )的护套热电偶中，中间部温度为1100℃时，直径φ8mm的护套热电偶产生的分流误差仅为φ6.4mm的一半。 该数值( 50% )近视于两种鞘热电偶的线电极径的平方比(1.42/2.02 )，线电极径的平方比是线电极的电阻比。 因此，为了减少分流误差，请选择直径尽可能粗的护套热电偶。

(2)中间部温度

中间部分的温度超过800℃时，有可能发生分流误差，其大小随着温度的上升呈指数增大。 因此，除测量端以外，尽量不要超过800℃。

当中间部加热带的长度和位置中间部加热带的温度超过800℃时，加热带的长度变长，越远离测定端，分流误差越大。 因此，请尽量缩短加热带的长度，不要在远离测量端的地方加热，减少分流误差。

(3)热电偶丝的电阻

如果护套热电偶的直径相同，分流误差会随着热电偶导线束的电阻增大而增大。 因此，最好采用电阻小的热电偶丝。 例如，直径相同的s型铠装热电偶与k型热电偶相比，分流误差减少了40%。 因此，应用s型热电偶可测量炉内温度场的分布，费用高，但正确。

(4)绝缘电阻

在高温下，氧化物的电阻率随着温度的上升而呈指数下降，分流误差的大小主要依赖于高温部分的绝缘性能，绝缘电阻越低越容易发生分流误差。 绝缘电阻变为10倍或1/10时，其分流误差也变为1/10或10倍。 为了减少分流误差，请采用直径尽可能粗的护套热电偶，加厚绝缘层的厚度。 上述措施无效的，应采用装配式热电偶。

4.4短程有序结构变化( k状态)的影响

k型热电偶在250℃的600℃温度范围内使用时，其微观结构发生变化，形成短距离有序结构，因此对热电势值产生影响，即所谓的k状态[3]。 Ni是Cr合金特有的晶格变化，Cr含量为5时在30%的范围内存在原子晶格的无序变化。 由此产生的误差随Cr含量和温度而变化。 将k型热电偶从300℃加热到800℃，每50℃取一点，测量该点的电位。 在450℃时偏差zui可达到4℃，在450℃时在600℃范围内，均为正偏差。 由于k状态的存在，k型热电偶的升温或降温检测结果不一致，廉洁金属热电偶检测规程明确规定了检测步骤:从低温升温检测到高温。 而且，在400℃检测点，不仅传热效果差，而且难以达到热平衡，正好在k状态误差zui的广泛范围内。 因此，在对这一点进行合格与否判定时必须慎重。

ni>； Cr合金的短程有序结构变化的现象，不仅存在于k型，也存在于e型热电偶的正极。 但是，变化量e型热电偶只有k型的2/3。 也就是说，k状态与温度、时间有关，温度分布和热电偶的位置发生变化时，其偏差也会发生较大变化。 很难正确地评价偏差的大小。

4.5使用环境的影响

(1)选择氧化

对于含有Fe ni，Cr合金在氧分压低于特定值时，与O2亲和力大的Cr被选择性地氧化，这是因为ni>； Cr合金特有的晶界氧化。 用显微镜观察外表面氧化层，可看到绿色析出物，该现象一般为&ldquo； 绿色蚀刻&rdquo； 的双曲馀弦值。 特别是温度为800℃时在1050℃的范围内，如果体系内含有CO、H2等还原性气体，则k型热电偶的正极更容易发生选择性氧化。 这种Cr含量下降引起的热电势下降，成为k型热电偶在热处理行业长期使用的限制因素。

如果气体纯净，系统不含氧，就可以延长热电偶的寿命。 但是，热电偶芯线表面有氧化层的话，能够供给Cr的选择氧化的氧。 因此，在非氧化性环境下使用时，请使用干净研磨过的偶数线。 同时，请尽量避免在含有微量氧气的惰性气体和氧分压低的空气中使用。 当保护管长径较大(即保护管较细)时，因空气循环不良而成缺氧状态，其残留少量氧仍能为Cr的选择氧化提供条件。

(2)选择性氧化的对策

为了防止或缓和k型热电偶的选择氧化引起的劣化，除了材质上改善之外，还应该在热电偶的结构上采取对策

选择与氧的亲和性强于Cr的金属作为吸气剂，封入保护管内，防止Cr的选择氧化，也可以通过增加保护管的直径或喷气的方法增加氧含量。 组装式热电偶的具体化。 作者研制出产品实体碳渗透炉用热电偶，即具有密封结构的组合式热电偶，可以防止Cr的选择氧化，经过瓦轴集团、一汽、二汽、易卜生工业炉、沉重、沉齿、钱江摩托车等十多家企业多年使用证明，该方案是有效的。 寿命超过12个月，用户满意[4]。 (3)使用环境的影响

热电偶的稳定性根据使用温度、环境而不同，同种类的传感器，例如k型热电偶的zui高使用温度也根据直径而变化，直径相同的k型热电偶也根据结构的不同，稳定性有很大差异。 选择热电偶时，关于使用条件，必须考虑以下几点

常用温度和zui高使用温度氧化还原等使用环境的耐振动性能对于组装式热电偶来说，环境的影响首先取决于保护管材质和热电偶结构，因此需要熟悉各种保护管材料的物理化学性能。 例如，在粉末冶金行业，钼管常用作热电偶保护管。 在1600℃的H2气氛中，使用效果很好。 但钼管在氧化性气氛下，短时间内会因氧化而腐蚀。 其次，根据使用环境选择合适的热电偶，在1300℃以上的氧化性环境中选择铂铑热电偶，在还原性、真空条件下采用钨铼热电偶。

关于k型热电偶，适合在空气、O2等气氛下工作，但是在H2中使用时，其表面被还原成H2，短时间内没有影响，长时间暴露在H2中时，在加速还原的同时，偶数丝晶粒生长而断线.在CO和气体等还原性气氛下，其劣化显着加速，极端恶化。 在鞘热电偶中，氢的原子半径小，容易通过夹套进入内部，同样会加速劣化，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，其绝缘电阻随着温度上升急剧下降，因此产生漏电流，该电流通过绝缘电阻下降的绝缘物流流入仪表，仪表的指示变得不稳定，或者产生测量误差，仪表有可能被乱打。