热电偶使用影响因素研究

葛纪全

[摘 要]测温系统中，热电偶已经成为最常用的温度传感器，因其结构简单，价格便宜被广泛的应用在各个生产领域。热电偶是由两种不同材料的均质导体组成，应用热电效应这一原理来实现温度测量。在检测和使用过程中，由于安装或使用方法不当会出现各种问题。本文主要对热电偶的物理性能及材料等方面做了简要说明，对热电偶的检测和使用中遇到的实际问题做了解答。

[关键词]热电偶；热辐射；氧化性；保护管。

中图分类号：TU473 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）37-0258-01

0 引言

热电偶是一种感温元件，是一次仪表。它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此時两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。

1 测量误差的主要影响因素

1.1 插入深度的影响

1.1.1 测温点的选择

热电偶的安装位置，即测温点的选择是最重要的。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。

1.1.2 插入深度

热电偶插入被测温场时，沿着传感器的长度方向将产生热流。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可度不一致而产生测温误差。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15倍），陶瓷材料绝热性能好，可插入浅一些。

1.2 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30分钟以上才能达到平衡，航标中规定每个检测点的保温时间也要30分钟；对于液体而言，最快也要在10分钟以上。

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1s，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。对热电偶而言除受保护管影响外，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，其热影响时间越短。

1.3 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，为了减少热辐射误差，应增大热传导，并使炉壁温度尽可能接近热电偶的温度。另外，在安装时还应注意：1、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。2、热电偶最好带有热辐射遮蔽套。

1.4 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尘土等将烧熔在表面上，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。

2 热电偶测温应注意的事项

2.1 热电偶偶丝不均质影响：

2.1.1 热电偶材质本身不均质

热电偶在计量部门检定时，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，确切地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律，测量结果与长度无关。然而，任何一个热电偶丝并非均质，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，温度梯度常常是不规则的，在整个回路中也不一定保持一个方向，同时大小和位置也是不断变化的，偶丝必须在其整个长度范围内保持均匀，这样获得的电势信号才可信。

2.1.2 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，经过时效和污染等情况可能改变热电偶的均匀性，反复加工、弯曲致使热电偶产生加工畸变，也将使其失去均质性，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，当偶丝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。铠装热电偶在这方面有很好的优势，工作时偶丝的均匀性不易变化。

3 热电偶劣化与使用寿命

3.1 热电偶的劣化

由金属或合金构成的热电偶，在高温下其内部晶粒要逐渐长大。同时合金中含有少量杂质，其位置或形状也将发生变化，而且，对周围环境中的还原或氧化性气体也要发生反应。伴随上述变化，热电偶的热电动势也将极其敏感的发生变化。因此热电偶的劣化现象是不可避免的。

3.2 热电偶的使用寿命

热电偶的劣化是一个量变过程，对其定量很困难，它将随热电偶的种类、直径、使用温度、气氛和时间的不同而变化。热电偶的使用寿命是指热电偶劣化发展到超过允许误差。

3.2.1 装配式热电偶的寿命

我国标准中仅对热电偶的稳定性有要求，即规定在某一温度下经200h使用前后热电动势的变化范围。但是，尚未发现对使用寿命有规定，只有在计量部门判定不合格时才停止使用。转包生产用的工作用廉金属热电偶一般只要求使用一次。

在实际使用时，装配式热电偶通常有保护管，只有在特殊情况下才裸丝使用。因此，在多数场合下，保护管的寿命决定了热电偶寿命。对热电偶的实际使用寿命的判断，必须是通过长期收集、积累实际使用状态下的数据，才有可能给出较准确的结果。

3.2.2 铠装热电偶的寿命

由于铠装热电偶有套管保护与外界环境隔绝，因此套管材质对铠装热电偶的寿命影响很大，必须根据用途选择热电偶丝及金属套管。当材质选定后，其寿命又随着铠装热电偶直径的增大而增加。铠装热电偶同装配式热电偶相比，虽有许多优点，但很容易发生劣化。

4 真空炉和气氛保护炉的测试

真空炉和气氛保护炉，由于要与外界大气环境隔绝，增加了热电偶引线的难度。包括热电偶和补偿导线的回路中所有的连接器，插孔、插座等接插件的热电特性要与使用的热电偶一致。

为避免气氛的影响，最好使用铠装热电偶。近几年随着高温炉的不断发展，对铠装贵金属热电偶的需求越来越多。为降低成本，很多铠装贵金属热电偶的套管都使用高温合金钢材料，但这样会导致贵金属偶丝迅速失效。为保证传感器性能稳定，应该使用贵金属合金作套管材料，选用高纯度的绝缘材料，并且在加工时要注意清洁和干燥，避免引入杂质。

5 结术语

热电偶是在科研、生产中最常用的温度传感器，虽然结构简单，但是，使用中不注意仍然会产生较大测量误差。本文主要通过对使用中容易出现的问题，详细探讨了测温点的选择、热电偶的插入深度、响应时间及热辐射等产生误差的主要原因，并指出热电偶不均度、热电偶使用中应注意的问题，对提高测量精度，延长热电偶使用寿命有一定帮助。

参考文献

[1] 李吉林，汪开道，张锦霞等。温度计量中国计量出版社，1998.9.

[2] 栾恩杰，高志强，马恒儒等。热学计量原子能出版社，2002.6.

[3] 张锦霞.热电偶使用维修与检定技术问答中国计量出版社，2000.12.