T型热电偶实验选取标定与误差分析研究

贺普春

陕西省土地工程建设集团有限责任公司延安分公司

0 引言

热电偶是目前市场上常用的一种测量温度的工具，因其具有简易结构、精度高、测量范围广、使用方便等优点，广泛应用于生产生活中用于实时测温等[1-2]。

T 型热电偶具有精度高、性能稳等特点[3]，广泛应用于中低温范围测温中。但目前市场上对于室温范围内的测量使用以及选型大多以K 型热电偶为主[4-5]，对于测温较好的中低温的T 型热电偶很少使用，且现有市场生厂厂家繁多，生产出来的材质各不统一，难免会存在同型号热电偶与热电偶之间的差异。其次，目前国内外学者主要注重于对热电偶的选型和误差分析[6-7]，适用场合[8]，以及应用等研究[9-10]。虽已取得了一定的研究成果，但对其T 型热电偶的校核标定以及分析相对有限，对其具体应用于室温范围内的测试误差研究更加略显不足[11]。此外，由于安装以及使用者自身等原因也会加大这一问题的严重性，致使热电偶存在很大的偏差，不能反映实际状态下的工作温度，很难满足实验需求。因此，针对这一问题，本文选取种T 型热电偶为常温测试的研究对象，根据使用条件进行对比校核实验。

1 温差电偶的测温原理及使用方法

1.1 测温原理

热电偶又被叫做温差电偶，是指由两种不同的材料的导体彼此紧密接触而组成的[3]。当两个接触点存在一定的温差时，在回路中就有电流产生，因此两个接触点存在电动势，该电动势称温差电动势或热电动势[1]，如图1[12]所示。

图1 热电偶测温原理示意图

热电偶一般是由两种不同金属材料的一段焊接而成，如图1 所示，A、B 称为热电极，焊接的一段直接接触被测热场的T1端称为测量端，没有焊接的一段则连接测量设备，处于恒定温度T2端称为参考端[12]。T1、T2相差越大，输出的电动势就越大，热电偶可以通过热电动势的大小间接得到温度的大小。因此，温差电偶的测温范围取决于制作温差电偶的材料，常用的有：T分度热电偶（中低温区）、K 和N 分度热电偶（中高温区）、S 和R、B 分度热电偶（高温区）[4]。

1.2 热电偶使用方法

如图2[13]所示，在使用热电偶的同时，需根据接线示意图进行正确地接线。在标定前必须进行外观检查、焊接点检查是否光滑、牢固等可能出现的问题，其次对正负极的接入要严格按照正反进行连接，同时检查电势是否正常，检查热电极是否变脆，老化，变色以及腐蚀等问题[13]。

图2 热电偶接线示意图

本文采取固定温度点法发进行热电偶标定实验，具体是指在所测温度范围内，选取固定端参考温度（0 ℃到60 ℃）正常范围内，尽可能多的在选取范围内选取笃定点就行校核。实验末端的测量设备选取KEITHLEY2701。实验选取了市场上常用的3 家T 型热电偶作为实验材料，每根长度为3 m，分别编为1、2、3 进行实验研究。

2 讨论与分析

2.1 采用固定温度点发进行标定

从图3 中可以看出，3 种不同的编号的热电偶均呈现出相同的趋势，且类似于较好的线性趋势。1 号热电偶与标准固定温度点的数值相差不大。可以看出，热电偶的测温性能十分可靠。但在温度相对较低时则呈现出相反的趋势，在0 ℃左右时，热电偶呈现出左右波动，其可能出现的原因是存在一个时间常数的影响[14]，造成热电偶示数与固定点之间的差异。同样，2号、3 号热电偶均呈现出与1 号热电偶相同的线性趋势，且3 号热电偶与标准固定温度点的数值相差略大于1 号、2 号热电偶所呈现出的趋势。可能存在的原因是长度以及接触点的问题导致不同热电偶之间存在着一定的差异，但总体来说，热电偶在一定范围内具有很好的测温效果。

图3 不同编号热电偶随温度变化

2.2 不同编号热电偶之间的差异

从图4 中可以看出，1、2、3 号热电偶存在较大地差异，且3 号热电偶的最高。在低温时2 号热电偶的最低，当温度升高时1 号热电偶的最低。在相同范围内，3号热电偶的度数更加接近于真实数值，更能反映实际情况。将3 条热电偶进行多项式拟合，得到公式如表1所示。

图4 不同编号热电偶的差异

表1 不同编号热电偶的拟合公式

从表1 中可以看出，热电偶均呈现出良好的线性关系，但热电偶之间也存在着较大的差异，当测试仪器读数为0 时，此时呈现出，3 号热电偶＞1 号热电偶＞2 号热电偶，1、2、3 号热电偶对应的实际值分别为8.863 ℃、6.291 ℃、6.392 ℃,1 号热电偶对应的实际值比2 号热电偶对应的实际值高出2.572 ℃，1 号热电偶对应的实际值比3 号热电偶对应的实际值高出2.471 ℃，3 号热电偶对应的实际值比2 号热电偶对应的实际值高出0.101 ℃。当温度升高时，1、2 号热电偶呈现出相反趋势，呈现出3 号热电偶＞2 号热电偶＞1号热电偶。因此，3 种不同的热电偶存在性能差异可能与热电偶丝不均质有关，文献[6]给出这一结论，验证了本文的正确性。

3 误差分析

3.1 热电偶自身存在的因素

一般来说热电偶若是由均质导体制成的，则其热电势只与两端的温度有关，若热电极材料不是均匀的，且热电极又处于温度梯度场中，则热电偶会产生一个附加热电势，即“不均匀电势”[16]。其大小取决于热电偶长度的温度梯度分布、材料的不均匀形式、不均匀程度，以及热电极在温度场所处的位置。

造成热电偶不均匀性的主要原因有：如化学成分中杂质分布不均匀，成分含量的偏差，以及热电偶表面局部的氧化问题，热电偶在有些物质或者气体中受到腐蚀和干扰等会造成偏差。而对于新制的热电偶，还存在加工问题，弯曲以及焊点存在气密性有气泡等都会致使热电偶在生产加工中存在畸变，会对测试造成误差[6]。

其次，热电偶同时也存在着不稳定性：不稳定性具体是指热电偶的分度值随使用时间和使用条件的不同而起的变化。在大多数情况下影响不稳定性的因素有：污染覆盖，热电极在高温下易挥发，氧化和还原，甚至存在老化、脆化以及焊点开焊等现象。需进行定期维修除去表面污物，改善其热电偶特性，延长热电偶寿命，尤其在测试前期需对热电偶进行严格筛选和检查。

3.2 实验系统对实验结果的影响

热电偶安装影响：热电偶应按照使用要求进行布点，应安装在能代表被测介质温度处，避免装在阀门处、弯头拐角处及管道、设备的死角不好操作的附近。当热电偶插入深度超过1 m 时，应尽可能的垂直安装，或加以支撑保护[15]。若热电偶较长，则长度过长则会存在温度梯度，因此测量端必然会沿热电极导热，一部分热量会从温度较高的热端经过保护套管、热电极等传到温度较低的冷端。这样热电偶测得的温度较之实际温度会偏低，因此为了减少误差，可采取如下措施：增加热电偶的插入深度或者尽可能采用热传导系数小的材料作保护套管。

测量系统漏电分流影响[17]：热电偶在结构上存在缺陷等会使绝缘层出现漏电现象，对热电偶温差电动势的测量有很大影响，使测量结果整体变小，甚至出现测量值无法显示的故障。而出现漏电引起误差是多方面的，一般可能是智能控温实验仪漏电、电位差计漏电、绝缘层老化漏电，都可能使工作电流出现损失，使测量产生误差。

3.3 电动势测量时产生的误差

冷端补偿的选择[3]：根据热电偶测温原理，热电偶的温差电势只反映出来的是相对温度，而热电偶在回路中的热电动势的大小不仅与测量端的温度密切相关，而且与参考端的温度也有关系，它是由两者的温度的差值共同决定的，因此参考温度的选择对实验的结果的精确影响很大。现有情况下选择的参考端温度等于0 ℃，然而在实际使用热电偶测温过程中，冷端温度很难维持，甚至不为0 ℃，而且往往是变化的。文献[3]利用软件实现冷端补偿，提高测试精度，并进行了实验方案可行性研究。其次室温存在很大的波动性，不宜作为温度定标实验的参考温度，而且在实验过程中还会出现人为误差因素的影响、测量仪器精度等问题。其中测量仪器的精度等级的选择要考虑测温点要求的准确性是否匹配等都需要考虑[4]，而不是盲目的直接拿过来测试。

时间常数：一般在温度稳定或变化很慢的对象上测量温度时，动态误差很小，但对温度变化很快的对象，动态误差就会增大，通常用时间常数[12]来表征热电偶响应速度的快慢，时间常数越小，响应越快，动态误差就越小。因此，时间常数的大小是决定动态误差的主要因素。

3.4 热电偶实际应用中减小实验误差方法

1）根据实验环境所需匹配适合量程下的热电偶型号。

2）根据实际环境选择合适的冷端补偿器。

3）热电偶的安装深度应放在中间位置，且不要随意更改变动。

4）热量沿热电极传导，热端与周壁的热交换等热损失，会产生温度测量误差，尽量缩小热电偶测量端的尺寸，并使体积与面积之比尽可能小，以减小测量端的热容量，提高响应速度。

5）采用导热性能好的材料做保护管，管壁要薄，内径要小，减小保护管与热电偶测量端之间的空气间隙或填充传热性能好的其它材料。

6）测量时要在智能恒温控制仪的温度稳定时方可读数。

7）在热电偶接线时严格按照图纸进行，正负极的接法以及检测。

4 结论

本文通过对T 型热电偶实验原理、标定过程以及误差等几方面进行综合分析，初步得到以下结论：

1）热电偶随着固定点温度变化均呈现较好的线性关系，且同型号的热点偶仍存在较大地差异，应在使用前进行校核实验。

2）同型号的热电偶进行标定比较发现，3 号热电偶效果更好，更能符合实际温度的需求，但仍然存在差异。

3）通过对热电偶的标定实验以及误差进行分析，结果发现电偶需综合考虑自身以及外界的因素共同影响。为今后实验材料的选取以及仪器维护、校核、维护提供了经验参考，有助于实验正常有序的进行。