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摘要： 热电偶是一种最简单、最普通的温度传感器。可是如果在使用中不注意，也会引起较大测量误差。针对当前存在的问题，文章详细探讨了影响测量误差的主要因素：装配误差、测量误差、响应响应误差、热辐射及热阻抗误差、劣化误差等，并指出相应的解决方案，对提高测量精度，延长热电偶寿命，有一定帮助。
关键词： 热电偶 温度误差 分析 解决方案
在现有的测温系统中，热电偶作为最常用的温度传感器，虽然简单，但在使用中却常会出现各种问题。为了提高测量精度，减少测量误差，延长热电偶使用寿命，要求使用者不仅应具备仪表方面的操作技能，还应具有物理、化学及材料等多方面知识。本文较为详细地介绍了热电偶的测量误差及其解决方案。
一、装配误差
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，选择测温点时应具有典型性、代表性，否则将失去测量与控制的意义，例如测量管道中流体温度时，热电偶的测量端应处于管道中流速最大处。一般来说，热电偶的保护套管末端应越过流速中心线。
2.插入深度的控制
热电偶插入被测场所时，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—20倍）；陶瓷材料绝热性能好，可插入浅一些（约为直径的10—15倍）。对于工程测温，其插入深度还与测量对象静止或流动等状态有关，如流动的液体或高速气流温度的测量，就不受上述限制，插入深度可以浅一些，具体数值应由实验确定。
二、测量误差
1.参考端温度没有得到完全补偿而引入的误差
参考段温度保持在0℃当然最好，实际测温时，参考端不可能是0℃，但是可以采用恒温器、补偿电桥或补偿导线等方法来设法恒定在某一温度下。
2.补偿导线使用不当引入的误差
使用补偿导线时，一定要注意选择与热电偶相匹配的导线，一定要注意补偿导线的正负极与热电偶的正负极相连接。补偿导线使用不当会引起较大的测量误差。
3.测量仪表与测量电路电阻变化引起的误差
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，仪表精度等级的选择要从测温所要求的准确度和整个测温系统的匹配问题，否则会引起测温误差。
三、动态响应误差
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；对于液体而言，最快也要在5秒钟以上。
对于温度不断变化的被测场所，尤其是瞬间变化过程，全过程仅1秒钟，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但跟不上被测对象的温度变化速度出现滞后，而且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。滞后时间不仅决定于热电偶材料的导热系数，热偶接点的表面积、容积、热容量，还决定于被测介质的热容量和导热系数以及介质（流体）本身的流动情况。
热电偶测温时，与被测介质之间的热交换主要是对流传热，通过对流体传热使热偶接点吸热温度升高。对流传热的大小决定于介质温度与热偶接点温度之差和热偶接点与被测介质接触的面积大小，即：
如果忽略热偶接点温度对周围环境的辐射和沿热电偶导线的导热损失而产生放热，则热偶接点吸收的热量转变为接点的温度变化。
式中T -T=ΔT称为热电偶的动态响应误差，τ称为滞后时间或时间常数，从上式中可以看出，热电偶的时间常数τ不仅取决于热偶接点材料性质和结构参数（如热偶接点的比热容、密度、体积），还随被测介质工作状况的不同而变化（如传热系数和热偶接点被介质包围的面积）。故不同的工作状况就有不同的τ值。如果被测温度不是稳定值，而是随时间迅速变化，要能反映出某瞬时的真实温度，这就要求热电偶的动态响应要高，即时间常数要小。具体措施如下：
①减小热偶接点体积。接点体积的减小，热容量也随之减小，而且传热系数α随之增大。
②增大热偶接点与被测介质接触的表面积A 。对于相同体积的接点，若将球形压成扁平状，体积不变而表面积增大了，这样就可减小时间常数。
四、热辐射误差
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。
在单位时间内，两者交换的辐射能为P，可用下式表示：
在单位时间内，热电偶同周围的气体（温度为T），通过对流及热传导也将发生热量交换的能量为P′
P′=αA（T-Tt）
式中：α——熱导率
A——热电偶的表面积
在正常状态下，P=P′，其误差为：
对于单位面积而言其误差为
因此，为了减少热辐射误差，应增大热传导，并使炉壁温度Tw，尽可能接近热电偶的温度Tt。另外，在安装时还应注意：
①热电偶的安装位置，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。
五、热阻抗误差
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灰尘等将烧熔在表面上，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，不仅会增加热电偶的响应时间，还会使指示温度偏低。因此，除了定期检定外，为了减少误差，经常抽检也是必要的。例如，进口铜熔炼炉，不仅安装有连续测温热电偶，还配备消耗型热电偶测温装置，用于及时校准连续测温用热电偶的准确度。
六、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。
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氛对热电偶的作用使热电极发生质变。减小老化误差的途径一是注意各种热电偶测温条件，二是定期对热电偶进行检定。
综上所述，虽然在运用测量温度时会存在着诸如装配误差﹑测量误差、响应响应误差﹑热辐射及热阻抗误差、劣化误差的影响，但若能掌握误差产生的原理，并采取相应有效的补偿措施，仍能提高热电偶的测量精度，延长热电偶的寿命。
参考文献：
［1］李春茂.电子技术应用.中国建材工业出版社，1999.
［2］吴万奋.快速热电偶测温误差综述.中国测量技术，2006，（6）.
［3］刘引.热电偶测量误差综述.锅炉制造，2004，（2）.
［4］李晋尧.带电细丝温度测量误差分析.计量与测试技术，2003，（6）.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
关键词： 热电偶 温度误差 分析 解决方案
在现有的测温系统中，热电偶作为最常用的温度传感器，虽然简单，但在使用中却常会出现各种问题。为了提高测量精度，减少测量误差，延长热电偶使用寿命，要求使用者不仅应具备仪表方面的操作技能，还应具有物理、化学及材料等多方面知识。本文较为详细地介绍了热电偶的测量误差及其解决方案。
一、装配误差
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，选择测温点时应具有典型性、代表性，否则将失去测量与控制的意义，例如测量管道中流体温度时，热电偶的测量端应处于管道中流速最大处。一般来说，热电偶的保护套管末端应越过流速中心线。
2.插入深度的控制
热电偶插入被测场所时，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—20倍）；陶瓷材料绝热性能好，可插入浅一些（约为直径的10—15倍）。对于工程测温，其插入深度还与测量对象静止或流动等状态有关，如流动的液体或高速气流温度的测量，就不受上述限制，插入深度可以浅一些，具体数值应由实验确定。
二、测量误差
1.参考端温度没有得到完全补偿而引入的误差
参考段温度保持在0℃当然最好，实际测温时，参考端不可能是0℃，但是可以采用恒温器、补偿电桥或补偿导线等方法来设法恒定在某一温度下。
2.补偿导线使用不当引入的误差
使用补偿导线时，一定要注意选择与热电偶相匹配的导线，一定要注意补偿导线的正负极与热电偶的正负极相连接。补偿导线使用不当会引起较大的测量误差。
3.测量仪表与测量电路电阻变化引起的误差
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，仪表精度等级的选择要从测温所要求的准确度和整个测温系统的匹配问题，否则会引起测温误差。
三、动态响应误差
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；对于液体而言，最快也要在5秒钟以上。
对于温度不断变化的被测场所，尤其是瞬间变化过程，全过程仅1秒钟，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但跟不上被测对象的温度变化速度出现滞后，而且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。滞后时间不仅决定于热电偶材料的导热系数，热偶接点的表面积、容积、热容量，还决定于被测介质的热容量和导热系数以及介质（流体）本身的流动情况。
热电偶测温时，与被测介质之间的热交换主要是对流传热，通过对流体传热使热偶接点吸热温度升高。对流传热的大小决定于介质温度与热偶接点温度之差和热偶接点与被测介质接触的面积大小，即：
如果忽略热偶接点温度对周围环境的辐射和沿热电偶导线的导热损失而产生放热，则热偶接点吸收的热量转变为接点的温度变化。
式中T -T=ΔT称为热电偶的动态响应误差，τ称为滞后时间或时间常数，从上式中可以看出，热电偶的时间常数τ不仅取决于热偶接点材料性质和结构参数（如热偶接点的比热容、密度、体积），还随被测介质工作状况的不同而变化（如传热系数和热偶接点被介质包围的面积）。故不同的工作状况就有不同的τ值。如果被测温度不是稳定值，而是随时间迅速变化，要能反映出某瞬时的真实温度，这就要求热电偶的动态响应要高，即时间常数要小。具体措施如下：
①减小热偶接点体积。接点体积的减小，热容量也随之减小，而且传热系数α随之增大。
②增大热偶接点与被测介质接触的表面积A 。对于相同体积的接点，若将球形压成扁平状，体积不变而表面积增大了，这样就可减小时间常数。
四、热辐射误差
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。
在单位时间内，两者交换的辐射能为P，可用下式表示：
在单位时间内，热电偶同周围的气体（温度为T），通过对流及热传导也将发生热量交换的能量为P′
P′=αA（T-Tt）
式中：α——熱导率
A——热电偶的表面积
在正常状态下，P=P′，其误差为：
对于单位面积而言其误差为
因此，为了减少热辐射误差，应增大热传导，并使炉壁温度Tw，尽可能接近热电偶的温度Tt。另外，在安装时还应注意：
①热电偶的安装位置，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。
五、热阻抗误差
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灰尘等将烧熔在表面上，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，不仅会增加热电偶的响应时间，还会使指示温度偏低。因此，除了定期检定外，为了减少误差，经常抽检也是必要的。例如，进口铜熔炼炉，不仅安装有连续测温热电偶，还配备消耗型热电偶测温装置，用于及时校准连续测温用热电偶的准确度。
六、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。
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氛对热电偶的作用使热电极发生质变。减小老化误差的途径一是注意各种热电偶测温条件，二是定期对热电偶进行检定。
综上所述，虽然在运用测量温度时会存在着诸如装配误差﹑测量误差、响应响应误差﹑热辐射及热阻抗误差、劣化误差的影响，但若能掌握误差产生的原理，并采取相应有效的补偿措施，仍能提高热电偶的测量精度，延长热电偶的寿命。
参考文献：
［1］李春茂.电子技术应用.中国建材工业出版社，1999.
［2］吴万奋.快速热电偶测温误差综述.中国测量技术，2006，（6）.
［3］刘引.热电偶测量误差综述.锅炉制造，2004，（2）.
［4］李晋尧.带电细丝温度测量误差分析.计量与测试技术，2003，（6）.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”