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摘要：在工业自动化控制领域中热电偶作为温度测量中的重要传感器之一，为各行业的温度测量立下了“汗马功劳”。它因结构简单、测温准确、测量范围广、维护方便等特点被广泛应用于各行业自动化温度控制领域。然而也正是由于热电偶本身结构简单、安装使用方便等特点，在选用过程中往往对其分度号、插入深度等关键参数的选择容易被忽视，从而造成热电偶在使用过程中出现问题，引起测量误差甚至损坏热电偶的情况发生。基于此，本文主要对热电偶的正确选择及测量误差原因进行分析探讨。
关键词：热电偶；正确选择；测量误差；原因分析
前言
热电偶是一种在自动化控制过程中应用非常普遍的温度传感设备。其结构简单、安装使用方便而被广泛应用于各行业自动化温度控制领域。在现代工业自动化控制中越来越注重对仪表安全、测量准确性、使用寿命及稳定性的要求，之前也有大批的科研人员及热工仪表工程师对热电偶的测温准确性、适应性以及测温结构做了大量的研究。
1、热电偶的选择
热电偶由于使用简单应用也非常广泛，但是在最初选用过程中往往更注重热电偶的安装接口、套管材质、耐压等级等关系到热电偶安装及安全的参数指标，却容易忽略掉热电偶的适应性、测温范围以及插入深度对测温结果的影响。
1.1热电偶分度号的选择
热电偶分度号的选择通常是根据被测介质的工作温度来决定的，一般情况下根据热电偶不同分度号的测温范围以及实际使用情况我们大致将热电偶分为中低温、中高温以及高温三种类别的分度热电偶。下面就这三种测温范围的热电偶如何选择进行分析和讨论。
1.1.1中低温热电偶的选择
若用于低温区测量(－200℃～+350℃)可以选择T分度热电偶，用于中低温区测量(－40℃～+700℃)可选择E、J分度热电偶，但由于T、J分度热电偶的正极分别为纯铜和纯铁材质，在产品的制作和使用过程中极易被氧化，所以不能用于氧化环境中测温。若要在氧化环境中进行测温，推荐使用E分度热电偶。E分度热电偶不仅能覆盖J分度热电偶的测温范围且热电势输出大、灵敏度高、稳定性好，抗氧化性能优于T、J分度热电偶，能用于氧化性和惰性气体环境中，但不能直接在高温下用于硫、还原性气体环境中，这样将会导致E分度热电偶热电势均匀性出现较大误差。
1.1.2中高温热电偶的选择
K、N分度热电偶是目前市场上应用广泛的廉金属热电偶，主要用于中高温区的温度测量(－40℃～+1200℃)。其中K分度热电偶因线性度好、热电动势较大、灵敏度高、稳定性和均匀性较好、抗氧化性能强、价格便宜等优点占据了绝对的市场份额。N分度热电偶是一种最新国际标准化的热电偶，它成功的克服了K分度热电偶的两个重要缺点，即K分度热电偶在300℃～500℃间由于镍铬合金的晶格短程有序而引起的热电动势不稳定;在800℃左右由于镍铬合金发生择优氧化引起的热电动势不稳定。其综合性能优于K分度热电偶，是一种很有发展前途的热电偶。但在低温范围内(－200℃～400℃)的非线性误差较大，同时材料较硬难于加工是N分度热电偶的一大缺点。
1.1.3高温热电偶的选择
S、Ｒ、B分度热电偶因其正负电极采用铂及铂铑合金制成，故被称作贵金属热电偶。是适应于高温区测量(800℃～1600℃)的热电偶，其中S、Ｒ分度热电偶推荐长期使用温度为(800℃～1300℃)，B分度热电偶推荐长期使用温度为(800℃～1600℃)。因这几种分度的贵金属热电偶测温准确度高、稳定性好、测温区宽、测温上限高等优点，被广泛应用于1000℃以上的高温测量场合，如冶金、玻璃、陶瓷等行业的测温。不足之处是热电势较小、灵敏度较低、高温下机械强度下降、对污染非常敏感、贵金属材料昂贵，导致一次性投资较大。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆但总体看来贵金属热电偶还是高温区域温度测量的主力军，加上现在的热电偶生产工艺不断进步，可有效的保护电极丝在高温下不被污染，提高产品的使用寿命。以上各类高低温热电偶除电极本身材质不同之外，在结构上并没有本质的区别，主要还是根据不同的分度号选择合适的测温范围以及测量环境的适应性。
1.2测点位置及插入深度的选择
从测温原理上来说，热电偶属于接触式测温仪表，其测温点位置的选择是最重要的。该测温点不仅要能够直观反映出被测介质的真实温度，还必须是整个设备单元或控制的关键温度测点。所以选择测温点时应具有典型性和代表性，否则将失去测量与控制的意义。
2、测量中出现的误差
2.1参考端温度没有得到完全补偿而引起的误差
热电偶参考端温度最好保持在0℃，但在实际测温时，参考端不可能是0℃，需要采用恒温器、补偿电桥或补偿导线等方法来设法恒定在某一温度下。如果实际测温标准和被测温度是采用室温补偿，由于室温不易恒定，可能使两者感受的温度不同，就会造成测试结果产生很大误差。采用室温修正，由于其误差较大，一般只适用于现场校验，不适宜对产品的精确测量。
2.2补偿导线使用不当引入的误差
利用补偿导线可以把热电偶的参考端延长到温度较为恒定的环境再进行修正补偿，此时参考端即变为一个温度变化很小的新参考端。从本质上来说它并不能消除参考端不为0℃带来的误差，所以还应该结合其它修正方法进行补偿。在使用补偿导线时，一定要选择与热电偶分度号相匹配的导线，一定要正确连接补偿导线的正负极与热电偶的正负极相连接，若补偿导线使用不当导致没有消除引线电阻，会引起较大的测量误差。同时还应注意补偿导线与热电偶连接处的温度应保持一致且温度应控制在(0－150℃)之间，否则也会产生新的测量误差。
2.3测量仪表精度引起的误差
测量仪表的精度等级高低是决定测量误差大小的因素之一，测温仪表精度等级的选择要考虑测温点要求的准确度并和整个测温系统相匹配，否则也会引起测温误差。
2.4热电偶响应时间引起的误差
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，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秒钟以上才能达到平衡;对于液体介质，最快也要在5秒钟以上。对于温度不断变化的被测场所，尤其是瞬间变化的过程，有的全过程仅1秒钟，则要求传感器的响应时间在毫秒级。
2.6热电偶劣化引起的测量误差
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。热电偶发生老化的原因因热电偶不同而异，主要有两方面原因:一方面是热电偶材料本身长期在高温作用下发生变质;另一方面是测温环境各种气体对热电偶的作用使热电极发生质变。减小老化误差的途径是注意各种热电偶测温条件、定期对热电偶进行检定。
3、结束语
综上所述，热电偶在选型和具体应用过程中还存在许多需要考虑和注意的问题，主要为热电偶分度号的选择、测温点位置和插入深度的选择、温度补偿、热响应时间、热阻抗、热电偶劣化等。在以后的热电偶传感器应用过程中，只要正确选型并有效解决测温误差问题，就可以提高其测量准确程度，也可以对热电偶的寿命进行有效延长。
参考文献：
[1]吴万奋.快速热电偶测温误差综述[J].中国测量技术，2016(08)，112－115.
[2]刘引.热电偶测量误差综述[J].锅炉制造，2015，(5)，98:74
论文作者:朱周波,任娜,赵小军
论文发表刊物:《防护工程》2019年第3期
论文发表时间:2019/5/21
标签：热电偶论文; 测温论文; 分度论文; 误差论文; 测量论文; 温度论文; 高温论文; 《防护工程》2019年第3期论文;