浅析影响热电偶测温仪表准确性的因素

2019-03-29张瀚予

科学与技术 2019年12期

张瀚予

摘要：热电偶的品种很多，各种分类方法也不尽相同，按照工业标准化的要求可以分为标准化热电偶和非标准化热电偶两种。热电偶是热电效应理论的具体应用之一，在温度测量中有广泛的应用，具有结构简单、性能稳定、容易构造等优点。热电偶通过与显示仪表配合使用，可以实现远距离测量、自动记录、温度自动控制等。

关键词：热电偶；温差；误差及处理措施

引言

红沿河核电站项目位于辽宁省大连市瓦房店市红沿河镇，核电站一期工程采用CPR1000压水堆核电技术，是国家“十一五”期间首个批准建设的核电项目，是东北地区第一个核电站。辽宁红沿河核电二期工程采用ACPR1000核电技术，2018年11月6号机组首套蒸汽发生器安装就位，整体工程建设迎来高峰期。辽宁红沿河核电站自开工建设以来，一直坚持“安全第一、质量第一”的方针，严格按照国家有关法规组织工程建设。核电站对元件要求较高，在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一，热电偶是温度测量仪表中常见的测温元件，在这里对影响热电偶测温仪表准确性的因素进行简要分析。

1.热电偶测温基本原理

将两种不同材料的导体或半导体A和B连接起来，构成一个闭合回路，就构成热电偶。温度T端为感温端称为测量端，温度T0端为连接仪表端称为参比端或冷端，当导体A和B的两个执着点T和T0之间存在温差时，就在回路中产生电动势EAB（T，T0），因而在回路中形成电流，这种现象称为热电效应。这个电动势称为热电势，热电偶就是利用这一效应来工作的。热电势的大小与T和T0之差的大小有关，当热电偶的两个热电极材料已知时，由热电偶回路热电势的分布理论知热电偶两端的热电势差可以用下式表示：

EAB（T，T0）=EAB（T）-EAB（T0）

式中EAB（T，T0）-热电偶的热电势；

EAB（T）-温度为T时工作端的热电势；

EAB（T0）-温度为T0时冷端的热电势。

从上式可看出当工作端的被测介质温度发生变化时，热电势随之发生变化，因此，只要测出EAB（T，T0）和知道EAB（T0）就可得到EAB（T），将热电势送入显示仪表进行指示或记录，或送入微机进行处理，即可获得测量端温度T值。

需要特别强调的是，热电偶之所以能测出温度，归根结底是测量热电偶两端的热电动势，测量仪表能够让我们看到温度数值，是因为它已经将热电动势转换成了温度。

2.热电偶测温误差及原因分析

2.1 热电偶安装因素造成的误差

热电偶在安装过程中位置的选择不合理，以及实际测温时插入被测环境的深度不当，都会导致热电偶测温误差的产生。同时针对不同测温对象，热电偶插入的深度也要进行相应的调整，要根据实际测温工作的需要，结合科学的实验数据，对不同对象测温时插入的深度进行准确的确定。

2.2 参考端温度的影响

热电偶的热电动势的大下与热电极材料以及工作端的温度有关。热电偶的分度表和根据分度表的温度显示仪表都是以热点偶参考端温度等于0℃为条件的。所以在使用时必须遵循这一条件。如果参考端温度Tn不等于0℃，尽管被测温度T恒定不变，热电势EAB（T，Tn）也将随着参考端温度Tn的变化而变化。其变化大小可根据热电偶的中间温度定律求得。

EAB（T，Tn）=EAB（T，Tn）+EAB（Tn，To）

当To>0℃时，此时热电偶的熱电动势减少了EAB（Tn，To），因而将使测量仪表的示值下降。因此，当参考端温度不等于0℃时，对被测温度的准确性有着十分重要的影响。

用热电偶测温时，要使参考端温度保持在0℃比较麻烦，一般只有在实验室作精密测温时才有必要。通常在工程测量中，参考端温度大都处在室温或波动的温区，这时，要测出实际温度。就必须采取修正或补偿等措施。

2.3 热辐射以及导热误差

热辐射误差主要是由热电偶测量端与环境的辐射热交换所引起的，而导热误差则是由于沿热电偶长度存在温度梯度，而测量端必然会沿热电极导热，使得指示温度偏离实际温度。

2.4 动态响应误差

由于热电偶的测量方式属于接触式，当热电偶插入被测介质后，由于本身具有热惰性，因此不能立即指示出被测气流的温度，其示值Ta将逐渐上升，一直到测量端吸热，放热达到动平衡后才达到稳定的示值Ta∞。在热电偶插入后到示值稳定之前的整个不稳定过程中，热电偶的瞬时示值T测与稳定后的示值T∞存在着偏差，这时热电偶除了有各种稳定的误差外，还存在有热电偶热惰性引入的偏差（即T测-T∞），这一偏差称为动态响应误差，用△T动表示。

△T动=T测-Ta∞=τdT测/dT

式中：τ――热电偶的时间常数

为了简化起见，以下讨论时均假设没有其它误差因素的影响，即T∞= T气，于是τdT测/dT +T测= T气

如果被测温度是不随时间变化的稳态测量，只要热电偶插入后经过足够长的时间，待其示值稳定后再进行读数，便可避免动态误差的影响。

2.5 测量系统漏电引起的热电偶测温误差

热电偶测温系统在使用过程中，会因为绝缘层损坏等原因造成系统漏电，导致热电势受到影响，使仪表的指示温度与实际的温度之间出现误差，较严重的将导致测量系统的失灵。

2.6 劣化误差

所谓热电偶的劣化，即热电偶经使用后，出现老化变质的现象。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地发生变化。因此热电偶的劣化现象是不可避免的。

3.热电阻温度测量故障检查处理思路

本着中间导体定律的原则，解决办法之一就是把进入端子柜的补偿导线直接接入DCS机柜，甩掉铜导线，取消第三种导体，这样就解决了温度不同的麻烦。但实际条件不能满足这样的改动，补偿导线在施工时已经敷设完毕，导线长度已不能延长，且三个反应器共12点温度，改动施工费用较高，种种原因都限制解决方案。通过分析，我们采用了最简捷的解决方案，就是想办法使两个房间的温度达到一致，就基本解决了因温度不同而产生的误差，办法就是在房间1安装一台空调，调节空调温度，使两个房间机柜内的温度保持一致，通过实验，把温度差控制在0.5℃之内是很容易办到的。经过此方案的实施后，反应器的温度已经正常，得到工艺技术人员的认可。

4.热电偶实际应用时需注意的问题

4.1 安装位置

热电偶的安装应尽可能靠近欲测的温度控制点，使其测量端与被测介质充分接触，远离强磁场和强电场。

4.2 插入的深度

一般情况下，当采用金属保护管时，插入深度应为其直径的15～20倍；当采用非金属保护管时，插入深度应为其直径的10～15倍。

4.3 热辐射作用

在热电偶附近如果存在与其具有一定温差的很大物体时，热电偶将接受辐射能。

4.4 热电偶补偿导线

补偿导线分为补偿型和延伸型两种，延伸型的导线也并不是用和热电偶相同材质的金属，一般采用和热电偶具有相同电子密度的导线代替。

4.5 热电偶冷端温度补偿方法

冷端温度修正法、冷端0℃恒温法、冷端温度自动补偿法（补偿电桥法）。

5 结语