国防军工热学、流量计量与测试技术交流会论文专集 ・８ｌ・ 热电偶测量误差分析及使用注意事项 蔡丽枝 （福建省计量科学技术研究所，福建福州３５０００３） 摘要：热电偶是工业测温中使用最广泛的温度传感器之一，热电偶的结构虽然简单，但在使用中仍然会出 现各种测量误差。本文较详细地介绍了热电偶测量误差的各种影响因素及使用注意事项。 关键词：热辐射；响应时间；不均质；劣化 热电偶是工业测温中使用最广泛的温度传感器之 一的温度传感器不仅会因跟不上被测对象的温度变化速 度而出现滞后，同时也会因达不到热平衡而产生测量 误差。因此最好选择响应速度快的传感器，对热电偶 来说除保护管影响外，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，热响应时间 越短。 １．３热辐射的影响 ，热电偶的结构虽然简单，但在使用中仍然会出现 各种问题。例如：安装或使用方法不当，将会引起较 大的测量误差，甚至检定合格的热电偶也会因操作不 当，在使用时不合格。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，而且还应具有物理、化学及材 料等多方面知识。本文根据多年实践，并参阅有关资 料较详细地介绍了热电偶测量误差的各种影响因素及 其使用注意事项。 插入炉内用于测温的热电偶，因炉内高温物体发 出的热辐射升温。如果炉内气体是透明的，而且热电 偶与炉壁的温差较大时，将因热电偶与炉壁之间的热 １测量误差的主要影响因素 １．１插入深度的影响 辐射而产生测温误差，因此，为了减少热辐射误差， 应使炉壁温度尽可能接近热电偶的温度。另外，在安 装时还应注意热电偶安装位置。 １．４热阻抗增加的影响 热电偶插入被测物体时，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，从而导 致热电偶与被测对象的温度不一致而产生测量误差。 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， 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，不仅增加了热电偶的响应时间， 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ｌ０— １５倍）。对于工程测温，其插入深度还与测量对象是 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，将不受上述限制，插人深度可以浅一些。 １．２响应时间的影响 而且还会使测量温度值偏低。因此，除了定期检定外， 为了减少误差，经常抽检也是必要的。例如在冶炼高 温熔炉中，不仅安装有连续测温的热电偶，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。 １．５热电偶丝不均质影响 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 １）热电偶材质本身不均质 热电偶在计量检定时，按规程要求，插人检定炉 内的深度只有３００ ｍｍ，因此每支热电偶的检定结果， 确切的说只能体现或主要体现出从测量端开始３００ ｍｍ 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。对于气体介质，尤其是静止气体， 至少应保持３０ｒａｉｎ以上才能达到平衡；对于液体而言， 最快也要在５ｍｉｎ以上。 长偶丝的热电效应。当测温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 作者简介：蔡丽枝（１９７６一）女，工程师，从事热工计量工作。 对于温度不断变化的被测温场，尤其是瞬间变化 过程，则要求传感器的响应时间在毫秒级，否则普通 ・８２・ 《计测技术》２００８年第２８卷增刊 丝，同时应尽可能避免在带有微量氧的惰性气体中 使用。 ２）选择性氧化的对策 么依据均质回路定则，测量结果与长度无关。然而， 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温场，那么其局部将产 生热电动势，该电动势称为寄生电势。由寄生电势引 起的误差称为不均质误差。 在现有的贵金属、廉金属热电偶检定规程中，对 为了防止或减缓Ｋ型热电偶因选择性氧化而引起 构上采取相应对策：选择对氧亲和力较铬更强的金属 作为吸气剂，封入保护管内，防止铬发生选择性氧化。 劣化，除了在材质方面加以改善外，还应在热电偶结 热电偶的不均质误差都没有作出规定，只有在热电偶 丝材料标准中，对热电偶丝的不均匀性有一定要求。 ２）热电偶丝经使用后产生的不均质 热电偶的稳定性，因使用温度、气氛不同而不同， 对同一种传感器，如Ｋ型热电偶的最高使用温度也因 对于新制的热电偶，即使是有点不均匀，但热电 动势能满足要求。可是使用中的热电偶由于经常弯曲 致使热电偶产生畸变，将使热电偶失去均质性，而且 使用中的热电偶长期处于高温下也会因偶丝的劣化而 引起热电动势的变化。例如：插入工业炉中的热电偶， 将沿偶丝长度方向发生劣化，并随温度增高，劣化增 强，当劣化的部分处于具有温度梯度的温场中时，也 将产生寄生电动势叠加在总热电动势中而出现’狈４量 误差。 作者在实践中发现有的热电偶经计量部门检定合 格的产品（多为廉金属热电偶）到现场使用时却不合 格，再返回到计量部门检定却仍然合格，其中主要原 因就是偶丝不均质引起的。热电偶的不合格率也随其 长度的增加而增加，皆是受热电偶丝材不均质的影响。 总之，由偶丝不均质而产生附加电动势引起的误差， 取决于热电偶丝自身的不均质程度及温度梯度的大小， 对其定量极其困难。 １．６使用气氛的影响 １）选择性氧化 对于镍铬合金，如果测量温场中的气体含有氧， 那么同氧亲和力大的铬，将发生选择性氧化，这是镍 铬合金特有的晶界氧化。如用显微镜观察外表面氧化 层，就可以看到绿色析出物，这种现象通常称为“绿 蚀”。尤其是当温度在８００—１０５０￣Ｃ范围内，Ｋ型热电 偶的正极更容易发生选择性氧化。这种因铬含量降低 而引起的热电势偏低，已成为Ｋ型热电偶在热处理行 业长期使用的限制因素。 如果采用的气体很纯，并且系统中不含氧，就可 以延长热电偶使用寿命。可是，如果热电偶丝表面有 氧化层时，仍可为铬的选择性氧化提供足够的氧，因 此在非氧化性气氛中使用时，应采用干净、抛光的偶 直径不同而变化，直径相同的Ｋ型热电偶也因结构的 不同，其稳定性也有很大差异。在选择热电偶时，必 须针对使用条件考虑如下几点：常用温度及最高使用 温度；氧化还原等使用气氛；抗振动性能。 ２热电偶劣化与使用寿命 ２．１热电偶的劣化 热电偶的使用寿命与其劣化有关，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 体也会发生反应。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。 ２．２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， 将随热电偶的种类、直径、使用温度、使用气氛、使 用时间的不同而变化。热电偶的使用寿命是指热电偶 劣化发展到超过允许误差，甚至断线不能使用的时间。 我国标准中仅对热电偶的稳定性有要求，但是尚 未对使用寿命有规定。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。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，但使用寿命往往低于 装配式热电偶。对热电偶的实际使用寿命的判断，必 须要通过长期收集、积累实际使用状态下的数据，才 有可能给出较准确的结果。
