浅析热电偶参比端温度的处理及误差

2011-01-06赵瑞丽洛阳市质量技术监督检验测试中心洛阳市471003

中国铸造装备与技术 2011年4期

赵瑞丽（洛阳市质量技术监督检验测试中心，洛阳市 471003）

浅析热电偶参比端温度的处理及误差

赵瑞丽（洛阳市质量技术监督检验测试中心，洛阳市 471003）

热电偶是一种热电型的温度传感器，具有结构简单、制造容易、测量方便等优点，在温度测量中得到广泛地应用。测温过程中，热电偶的热电势不仅与工作端的温度有关且与参比端的温度有关，要使热电势所测量温度呈单值函数关系，参比端温度应为零，因此必须对参比端的温度进行补偿，以降低测量误差。本文就现实中常用的参比端温度的处理及误差略加分析。

热电偶；温度；电势

热电偶是温度测量中应用最广泛的温度器件，热电偶闭合回路的总电势EAB=f（t）－f（t0）。因此，只有当参比端温度t0恒定时，其总电势才是测量端温度t的单值函数；从另一个角度看，只有在参比端温度t0已知的前提下测得总电势 EAB，才能求得测量端温度t。因此，必须对参比端温度加以处理，使之达到恒定、已知。热电偶分度表中的数值是以t0=0℃，f（0℃）=0为基础给出的。在热电偶测温或检定中，其热电势都要以分度表为准。但实际使用时参比端所处温度往往不是0℃，其参比端热电势并不为零。因此必须补偿与参比端热电势数值相同的电势，才能得到测量端的实际热电势。我们把这种处理称为参比端温度补偿。在工业测温和热电偶检定中，参比端温度处理的方法有多种，本文对现实中常用的几种略加分析。

1 工业测温中的测温补偿

1.1 室温补偿的意义

在工业测温中，热电偶参比端温度补偿一般由显示仪表完成，显示仪表只能根据自身的测温元件测量室温，补偿一定分度号在室温的热电势。因此这种处理也成为室温补偿。工业测温现场一般都远离显示仪表，而热电偶又不可能做得很长，所以必须用导线把热电偶和显示仪表连接用以传输信号。如果用普通铜线，则热电偶的参比端就在热电偶的接线盒处，此处的温度一般都与显示仪表所处的室温不同，而显示仪表只能根据自身所处的室温进行补偿，因此显示的温度就必然存在误差（铂铑30—铂铑6除外），这个误差就等于导线两端的温度差。若使用在一定范围内与热电偶有相同热电性能的补偿导线，就相当于把热电偶延伸到显示仪表的接线端子处，即将热电偶的参比端从接线盒处移到显示仪表的接线端子处，以获得正确的室温补偿。

1.2 补偿导线的连接

1.2.1 接线正确时

补偿导线若无差错，则可看成是热电偶丝的延伸，显然不会引起附加误差，但这只是理想状态。

若考虑补偿导线的误差，可按图1分析：

假设在补偿导线和热电偶丝之间接入一段纯铂丝并使其两端均在温度t1下（根据中间金属材料定律，总电势不变），则在此处形成了四对热电偶，其热电势分别为 E11、E12、E13、E14。

设热电偶测量端热电势为E，理想参比端（t0）热电势为E0，总输出热电势为EAB，热电偶实际参比端（t1）的热电势为E1，补偿导线在温度t1的热电势为E1′，补偿导线在温度t0的热电势为E0′，补偿导线在温度t1、t0的误差分别为△1、△0则有：

于是

可以看出，式（2）等号右边前两项是理论输出值，后两项是补偿导线引起的误差。因此导线在温度t1、t0的误差是相减的，所以若两者的符号相同且数值接近，则引起的附加误差较小；若二者的符号不同，则引起的附加误差较大。

1.2.2 接线不正确时

在补偿导线极性接反的情况下，图1中的E12、E14、和E0，的符号反过来，于是式（1）变成：

式（2）变成：

比较式（5）和式（2）可以看出，由补偿导线极性接反引起的附加误差是 2（E0′－E1′）左右，即补偿导线两端温度差值的两倍左右，也可以说是使用普通铜线时误差的两倍左右。例如，接线盒处温度为10℃，显示仪表在20℃的室内，温度差10℃，那么显示温度就比实际温度高20℃左右；若显示仪表所处的室温比接线盒温度低10℃，那么显示温度就比实际温度低20℃左右。这种误差是随着环境温度和参比端温度的变化而变化的。

2 热电偶自动检定系统中的参比端温度处理

2.1 冰点法

检定热电偶传统的方法是冰点法，即将热电偶的参比端接测试连接线后置于冰点槽（0℃）中进行测量。这种方法不需参比端温度补偿，其测量误差是冰点槽中的温场不均匀引起的，一般不超过0.1℃，是容易做到的。

2.2 补偿导线法

在用自动检定系统检定热电偶时，有时需要在热电偶的参比端接一段补偿导线，然后将补偿导线的另一端接测试连线并置于冰点槽中，这实际上是将被检热电偶的参比端移至冰点槽中。如1.2.1所述，由此带来的误差是补偿导线在其两端所处温度的误差的差值，亦即补偿导线在其室温下的误差。虽然可选用精度高的补偿导线并测得其在某一温度的实际误差，对测量结果加以修正，但因室温是变化的，所以其修正值并非完全适合，所以还会存在误差。检定规程JJG351—96中规定，补偿导线可以用于二级廉金属热电偶的检定，是由于其精度不高，上述误差对检定结果的影响相对较小。一级热电偶则不能用补偿导线法检定。

2.3 铂热电偶补偿法

另一种方法是将一个参比端温度补偿器——铂热电阻置于被检热电偶的参比端处，用以测量此处的温度，然后在测量系统中通过计算得出参比端热电势，在测量数据中加以补偿。

理想状态下，这种方法是没有问题的，但实际上它存在一系列产生误差的因素，以下稍加分析。

2.3.1 分度表

自动检定装置的软件中，是按某一分度表来计算铂热电阻的温度的，然而用作温度补偿器的铂热电阻测温元件的R（0℃）和a值总存在一定的偏差，即使精心挑选也在所难免。这就势必对检定结果带来一定的附加误差。

2.3.2 自热影响

铂热电阻测温时要通过一定的工作电流，这就会使它自身发热而温度升高，而温度升高又使它的电阻值增大，直到其自身发热和向周围散热达到平衡为止。这就是自热温升现象。由于自热影响，铂热电阻反应的温度与所处的室温有一定的偏差。因此，即使热电偶参比端的温度等于室温，根据铂热电阻测得的温度进行补偿，也会对检定结果带来一定的附加误差。另外，虽然铂热电阻的工作电流是恒定的，但铂热电阻的体积、材料、结构等不尽相同，所以不同的铂热电阻自热影响不同。因此，自热影响带来的误差很难在自动检定系统的软件中加以修正。

2.3.3 热响应时间的影响

因为铂热电阻测温元件与热电偶参比端的热响应时间不同，所以即使将他们放得十分接近，它们也难以对环境的变化作出同步反应。而自动检定系统却只是根据标准热电偶的电势来判断是否达到检定的恒温要求。这就使检定时铂热电阻测得的温度不等于热电偶参比端的温度。在这种情况下依据铂热电阻测得的温度进行参比端温度补偿，也会带来一定的动态误差。

2.3.4 热传导影响

在检定时，热电偶测量端温度较高，因此必然影响参比端传热，使参比端温度升高，尤其是铠装热电偶或较短的热电偶，这种现象更为严重。这就使热电偶的参比温度高于环境温度。即使将铂热电阻和热电偶的参比端绑扎在一起，这种热传导也存在温度梯度。这也是铂热电阻不能真正反应热电偶的参比温度，从而使温度补偿时产生附加误差的一个因素。