热电偶测温的误差分析

热电偶测温的误差分析（精选3篇）

热电偶测温的误差分析 第1篇

热电偶测温法是利用热敏元件 (热电偶) 与被测介质之间的热交换, 最后达到热平衡, 通过热电偶本身的温度反映被测介质的温度。这种方法虽然比较简单可靠, 但由于沿热电偶元件向外导热及辐射等原因, 从而造成测温误差, 本文对这些误差作简要分析。

1 热电偶测温误差分析

1.1 沿测温元件导热引起的误差

管道中流体温度的测量, 是流体测量中经常遇到的问题, 如图1所示为测量管内流体温度示意图, 假定热电偶插入管内的长度为l1, 而管外部分的长度为l2, 管内被测流体的温度为t1, 而外部环境温度为t0, 假设t1>t0, 由于热量沿热电偶向外导出, 所以热电偶工作端温度t2将低于管内被测流体的温度t1, 这个差值t2-t1即为沿测温管长度方向的导热误差。根据传热学中表面有散热作用的等截面长杆的稳定导热理论, 可以得到导热误差的关系式为:

式中

a1, a2为管内外介质对测温管之间的换热系数;S1, S2为管内外两段测温管的截面周长, S1=S2=πd1;λ1, λ2为管内外两段测温管的热导率, λ1=λ2;A1, A2为管内外两段测温管的截面积, A1=A2;l1, l2为管内外测温管的长度。

由公式 (1) 可见:

(1) 在测温管向外散热的情况下, 误差不可能等于零。

(2) 管道中流体与管外介质的温度差t1-t0越大, a2越大, 测温误差越大。对外露部分进行保温使t1-t0尽量小, 而且也使露出部分和外面介质的热交换减小, 管外换系数a2减小, 因此可以减小测温误差。

(3) 当测温管内插部分l1增加, 双曲余弦ch (b1l1) 、双曲正切th (b1l1) 都增加, 导热误差减小;当测温管外露部分l2减小, 双曲余切cth (b2l2) 增加, 测温误差也减小。

(4) 当换热系数增加a1, b1增加, 使误差减小, 因此在选择测温点时, 要尽量选在管道液体速度较大的地方。

(5) 增加S1/A1, 使b1增加, 可以使误差减小。而S=πd1, A1=π (d0+d1) δ/2 (式中, d0为测温管内径;d1为测温管外径;δ为测温管壁厚, 如图2所示) , 所以要想增加S1/A1, 就应该使测温管的壁厚δ、外径d1尽量减小, 也就是应将测温管成管径要细, 壁要薄的形状, 但这和保护管的强度和寿命有矛盾。

(6) 测温管材料的热导率减小使增加, 误差减小, 但λ1=λ2, 又会使b2增加, 误差增大, 因b1的影响比b2大, 因此测温管常用导热性质不良的材料如陶瓷、不锈钢来制造。

1.2 热辐射引起的误差

在测量中被测容器壁温度常与介质温度不一致, 例如测量锅炉炉膛温度时, 炉壁温度要低很多, 热电偶要比器壁温度高很多, 因此它们之间将发生辐射换热, 在测量较高温度时, 这项误差要比导热误差大很多, 假定用T2-T1表示由于辐射原因造成的测温元件的温度降, 据热力学与传热学理论可知其大小可用下式计算[1]。

式中, T1为被测介质温度, K;T2为被测元件温度, K;T0为被测容器壁温度, K;ε为测温元件表面材料发射率 (黑度系数) ;σ为斯蒂芬-玻耳兹曼常数;α为被测介质与测温元件间的对流换热系数

应该指出, 由于热辐射影响而产生的测量误差可能是很大的, 被测介质温度越高, 误差也越大, 这种情况会使测量工作完全失去意义。在实际情况下, 用式 (2) 来计算温度是很难的, 因为各个系数的数值不易确定, 冷表面温度也难以确定。为了正确测定温度, 原则上可以采取以下措施。

(1) 减小 (T24-T04) 。因为与T2、T0有4次方的关系, 因此T2、T0有少许差别产生的误差就很大。减小这一误差的办法是在测温元件外部加同温屏蔽罩。由于屏蔽罩内外处于烟气的流速之中, 加热了屏蔽罩, 使屏蔽罩和测温元件之间的温差大大减小, 使测温元件不址接与器壁进行辐射换热, 而只与其温度接近的屏蔽罩进行辐射换热, 从而减小测量误差。屏蔽层愈多, 则辐射误差愈小, 一般分一层或二层。为了减小发射率, 屏蔽罩的内壁要做得非常光亮。

(2) 增加气流和测温元件之间的对流换热系数[2]。由传热学知道, 气流速度越大, 对流换热系数越大。因此要将测温元件插到气流速度最高的地方, 或用其他措施来提高气流速度, 目标前用得最多的是抽气热电偶。

(3) 测温元件的套管尽量用黑度系数小的材料或抛光要作表面。由式 (2) 可见, T2-T1与测温元件表面材料黑度系数ε成正比关系。

1.3 热惯性引起的误差

用热电偶测量快速变化的温度时, 由于测温元件热惯性的影响, 其温度变化跟不上被测对象的变化, 此时将产生动态误差。例如, 当被测介质温度发生阶跃变化时, 热电偶的温度变化是逐渐的, 经过一段时间才能达到新的平衡 (如图3所示) , 对于经常波动的被测温度, 动态误差的出现更为频繁[3] (如图4所示) 。为了改善动态误差, 缩短迟滞, 减小动态误差, 可采用下面办法。

(1) 减小热电偶测量端的体积以减小测量端的热容量。

(2) 选用比热小, 导热好的套管材料, 在保证强度下使套管壁厚较小, 使测量端紧靠套管端部或在两者之间填充一些导热好的材料, 或将测量端直接焊在套管端部甚至不用套管使测量端裸露, 这样能减小热量传递中的热阻[4]。

(3) 增大测量端与被测介质的接触面积以增大传热系数, 但要仅仅是增大测量端的面积而不增大体积。例如图5所示的双测量端热电偶, 是用热电偶丝焊成两个大小相同的圆球测量端, 然后将其中一个压扁。当补测温度恒定时, 两个测量端温度相同, 因热电势必反接, 回路无电流, 仪表指零;当被测度突然变化时, 被压扁的测量端首先响应, 先改变输出电势, 使回路有电流, 仪表指针偏转。这说明增大测量端与被测介质的接触面积对减小迟滞有一定作用。

1.4 热电偶对被测温场的影响引起的误差

在采用接触法测温时, 由于热电偶的置入或接触, 对被测温场产生影响而引起误差。例如用接触法测量薄金属板的温度, 而物体的表面温度测量较多的是采用热电偶, 这是因为热电偶有较宽的测温范围, 较小的测量端, 能测量“点”的温度, 而且测量的精度较高。但是由于热电偶结点接触于表面, 从而破坏了原表面度场, 热量必然要沿热电偶导出, 使热电偶与表面接触处温度t1低于表面温度t0 (见图6) , 这个误差称为热电偶导热误差。其次, 由于热电偶的热电势值决定于接点的温度t2, 它和表面温度t1有个差值, 且t2

(1) 热电偶导热误差。导热误差的大小与热偶丝的直径、热电偶测量端的接触形式、被测表面的导热能力等有关, 为了减小热电偶导热误差, 可以采用下面一些办法。

1) 在保证强度条件下, 尽量减小热电偶丝直径。

2) 增大热电偶测量端与被告测表面的接触面积。如图7所示为热电偶与被测表面的四种接触形式, 这四种形式, 通过热电极向外散失的热量可以认为是一样的, 只不过 (a) 是将散热量集中在一“点”上; (d) 是散热量分散在两“点”上; (b) 的散热量则由金属片所接触的那块表面共同分摊; (c) 的散热量虽也集中在一个较小的区域, 但由于热电极与被测表面等温敷设一段距离后才引出, 散热量主要由等温敷设段供给。在相同的外界条件下, (a) 的导热误差最大, (d) 次之, (b) 较小, (c) 最小。

3) 为了减小热电偶丝与周围介质的对流换热, 选择热电偶的地方应避开气流。

(2) 热电偶的接点导热误差。接点导热误差是由于制作热电偶或焊接方法不正确。为了减小接点导热误差, 可以把接点做得尽量小, 热电偶的实际接点尽量靠近被测表面。

图7所示焊接方式可以减小接点导热误差, 但当被测表面存在温度梯度或被测表面材料性质不均匀时, 不宜采用这样焊接方式。

3 结束语

通过对热电偶测温方法及误差来源的分析, 对热电偶测温元件引起误差的因素有了系统认识。热电偶的不稳定性、不均匀性都会引起测量误差, 热传导以及热电偶安装使用不当也会引起测量误差, 另外有一些误差是由于制造过程或是测量系统及仪器本身存在的误差, 有些则是人为造成的。对这些引起测温误差的因素和对热电偶测温元件的特性有一定的了解, 有些误差是可以避免和减小的。对提高测量精度, 延长热电偶使用寿命有一定帮助。

摘要：热电偶是科研、工业生中最常用的测温元件, 尽管结构简单, 使用中仍然会产生较大测量误差。通过对热电偶测温精度的分析, 了解掌握误差产生的原因, 从而对这些引起测温误差的因素和对热电偶测温元件的特性有一定的了解, 通过采取必要的措施, 有些误差是可以避免和减小的, 这对提高测量精度, 延长热电偶使用寿命有一定帮助。

关键词：测量,热平衡,误差,辐射,热惯性

参考文献

[1]高秋捷.热电偶的温差电特性[J].大学物理实验, 2004 (01) .

[2]张启寿.对传热系数K的探讨来源[J].安庆师范学院学报 (自然科学版) , 1999 (02) .

[3]张秀梅, 宋文绪.动态测温误差分析及修正[J].大学物理实验, 1995 (03) .

浅谈热电偶测温原理及应用 第2篇

【关键词】热电偶测温；相关概念；原理；选型；应用

引言

热电偶温度计是化工生产过程中测量温度的重要仪器，所以对热电偶测温的研究有着重要意义。笔者简述温度测量的相关概念，研究人电偶测量温度的科学原理，再结合相关案例探讨热电偶测温的具体应用情况，改进热电偶测温技术，从而推动我国化工生产行业测温技术的进一步改进，推动热电偶测温计的应用。

1、测量温度的相关概念

温度作为测量物体冷热情况的物理量，在实际的生产中有着重要位置。从能量的方面而言，温度是阐述系统在不同自由程度下能量分布情况的物理量；从微观方面而言，温度则是系统分子无规则性运动情况的标志，高温物体的分子平均运动能量较大。低温物体的分子平均运动量较小。因此温度是阐述热能均衡系统冷热情况的物理量，而用于衡量物体温度数据的尺度就是温标。目前使用较为广泛的温标是华氏温标、热力学温标、摄氏温标。测量温度的方式主要有两种：非接触型测量和接触型测量。

其中接触型测温方式指的是把传感器放置在和物体同样的热均衡环境下，使得传感器和物体的温度保持一致的一种测温方式。例如：采用介质受热出现膨胀反映原理设计出来的水银测温计；采用物体的电气参数会随着温度的变化而变化的性质来测量温度，如热敏电阻、电子形式的温度传感设备、热电阻、热电偶等。而非接触型测温方式指的是利用热辐射的基本原理来完成测温工作，测量温度的设备不需要接触被测对象的表面介质；这种测温方式利用被测对象表面的热辐射情况和温度之间的关联来完成测温工作[1]。

2、热电偶测温的原理

把两种不同原材料的半导体或者是导体的一侧利用焊接工艺连接在一起就组成了热电偶；构成热电偶的半导体或导体就是热电极；焊接的一侧接入测量温度的地区就是工作端，而另一侧就是冷端。在两侧温度不同的情况下会出现热电势，其属于温度测量的感温器件，将温度信息转化成电信号，然后利用温度仪表表现出来。热电偶的温度测量原理就是采用了热电程度。热电程度指的是将不同材料的金属半导体或者是导体的两端焊接成闭合回路的形式，在两端温度不同的情况下就出现热电势，从而生成热电流。

热电势的具体大小情况和被焊接的材料有关，也和热电偶两侧的温度差存在一定的联系。一定属性的材料，其两侧的温度和热电势之间的函数关系是固定的，利用这个函数关系能够测量出温度数值。随着温度的不断上升，热电势将会不断变大；当温度不断下降时，热电势将会不断减小。热电偶的热电势和热电极的直径大小、长度情况没有任何关系[2]。

对热电偶冷端进行温度补偿。一般情况下，热电偶利用贵金属等较为贵重的材料，温度测量点和测温计之间的距离过远，为了更好地节约热电偶材料，进一步降低成本，一般利用导线补偿方式将热电偶冷端扩展到温度较为平稳的控制地区内，并接入到温度计端子中。此外，在利用热电偶导线补偿的过程中必须要充分考虑到型号的对应问题，极性不可以出现接错的问题，导线补偿和热电偶相连处的温度控制在1000C以内。热电偶温度测量的不足之处在于：热电偶消耗情况较为明显，从而导致维护量的增大，备用元件费用的增加。

3、热电偶测温的具体应用

笔者以攀钢热轧板制造厂为例对热电偶测量温度的具体应用进行研究。攀钢热轧板制造厂的两座加熱炉为均衡热段平路顶、上部加热和上部预热段轴向提供热能、下部侧方向提供热能、滚轮倾斜台面形式的板坯步进梁型加热炉。加热炉分为六个燃烧管理段进行不同程度的加热。加热炉的各个段炉测温量设置两支热电偶，利用S分度型号的热电偶，通常情况下使用的温度在10000C到14000C的范围之间。热电偶可以选择维护方式和工作方式这两种方案。其中维护方式指的是在任意一支热电偶发生故障的情况下，输入数据信息并自动替换到另一支热电偶；工作方式指的是根据两支热电偶中的选值数据来选择并控制燃烧程度。通常情况下，温度控制设备只能利用其中的一种热电偶数据信息，而另外的热电偶数据信息只能用来进行监控。温度调节设备的输出数据信息通过整理之后可以作为煤气和空气调节设备的限定值来对空气和煤气阀门的开度进行控制，从而有效地控制加热温度[3]。

此外，化工行业使用热电偶作为测温设备，一般会用来与记录仪器、显示仪器等设备配套使用，从而直接用来测量在不同生产环境中从00C到18000C之间的蒸汽、液体、气体、固体介质表面的温度。就热电偶在化工生产行业的应用情况来看主要有：装配型热电偶，预防爆炸的热电偶、热套式电偶。其中装配型热电偶的测量范围比较大，使用时间长、便于安全使用；预防爆炸的热电偶具备机械设备强度大、防爆性能良好等优势；热套式电偶在测量蒸汽管道和锅炉的温度中有着广泛的应用[4]。

4、结语

综上所述，热电偶测温在实际应用中有一定程度的发展，但是还需要进一步改进，大力推广热电偶在化工生产行业中的应用。

参考文献

[1]刘梅冬，何腊梅.浅谈热电偶测温原理及应用[J].攀枝花科技与信息，2010（08）.

[2]曾其勇，徐顺生，姚钟尧.热电偶测温原理中的基本定律[J].湖北水利水电职业技术学院学报，2011（09）.

[3]邝胜利，王忠伟，郑茂欣.热电偶测温原理及实用电路[J].电气电子教学学报，2013（09）.

[4]胡亚真，高大路，崔云先.热电偶测温原理及应用的研究[J].传感器与微系统，2012（02）.

作者简介

航空发动机热电阻测温误差分析 第3篇

目前在实际航空发动机试验中, 应该最广的采用热电阻、热电偶两种材料的温度传感器对温度参数进行测量, 热电阻传感器一般用于温度范围在-50℃~400℃, 一般用于测量被试航空发动机滑油、燃油温度、及相关环境温度等参数;而热电偶在低温范围测量有着相对较大的误差, 但其可以测量400℃以上的温度范围, 用于测量的航空发动机流道各截面气体温度。本文介绍了热电阻测量温度的基本工作原理, 并分析了一般热电阻的材料特性, 及在航空发动机试验中应该广泛的pt100型热电阻传感器的误差, 并对热电阻在测温的接线的几种方式以及影响精度的相关因素进行了分析, 并对热电阻在航空发动机试验中的应用注意进行总结。

基本原理

热电阻测量温试的工作原理是根据电阻的热效应进行温度测量的, 金属热电阻的电阻值与感受到的温度的关系, 可以采用式1进行表示。

其中Rt为被测温度t时的阻值;Rt0为被测温度t0 (通常t0=0℃) 时对应电阻值;α为材料的温度系数。半导体热敏电阻的阻值和温度关系可以用式 (2) 进行表示。

其中Rt为被测温度为t时的阻值;A、B为半导体热敏电阻材料结构的常数。因此可以根据金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量工作。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度较高, 而且稳定性较好, 广泛应用在工业温度测量中, 且用于相关的标准温度测量仪器中。

可以用于设计热电阻传感器的材料有很多种, 如图2所示, 根据测温的范围大小不同, 分别描述了铂、铜、钨、热敏电阻的电阻温度关系曲线, 从图中可以看出, 铂测量的温度范围较宽、线性好, 稳定性较好, 铜比铂测量温度范围要小的多;钨在300℃以上, 显示出明显非线性的特征, 可测量的范围更低, 热敏电阻在300℃以上, 具有较好的线性。

目前, 航空发动机热电阻测温的传感器中, 选用较多的是铂电阻材料的Pt100的热电阻传感器。根据GJB2716~1996提供的铂电阻PT100的分度表, 可以得到-50℃~650℃温度范围之间, 每10℃之间的电阻的差值, 如图2所示, 可以看出, -50℃~650℃之间, 电阻差值均在3~4Ω之间, 其电阻值相差不到1Ω, 若采用多点线性校准, 校准误差极大值为不大于2.8℃, 其误差值小且相较于其材料型号的温试传感器, 测量温试范围宽, 误差小是其在航空发动机试验中广泛应用的基础。

热电阻误差影响分析

接线方式

航空发动机测试系统中, 所有的采集板卡最终感受到的电信号均电压值, 因此, 热电阻测量温度时, 通常需要因温度变化引起的电阻的变化转换为电压值的变化, 采集板卡设计时输出一路恒定的电流源和一路电压信号测量通道, 通过转接插头引线接至电偶阻传感器, 传感器的接线如图1所示。可以看出, 热电阻的采集接线方式有热电阻两端接入单线方式 (二线制) ;一端二根线, 一端单线方线 (三线制) ;两端均为双线方式 (四线制) 。其优缺点如下。

(1) 二线制引线方法较为简单, 即采用图1中实线连接方式, 两端的连接导线的线电阻通过电流量会产生一定的电压值误差, 因此, 误差值为测量端电压的大小与实际热电阻两端电压的差值, 其导线电阻的大小决定了误差大小, 由于接线的导线电阻的大小与其材质和长度因素有关, 因此这种二线制势接线方式仅适用于测量精度不高、布线走线困难的场合。。

(2) 三线制通常与电桥配套使用, 当桥臂测量端达到平衡时, 可获完全消除引线电阻的影响, 但热电阻传感器通过感受被测温度的变化从而发生阻值变化, 电桥一般处于不平衡状态, 这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥, 其引线电阻引起的测量误差并不能完全被消除掉, 采用三线制已经能大大减少了引线电阻的误差影响, 目前, 工业上一般都采用三线制接法, 针对三线制热电阻已能做到高精度的测量, 但需在电路上进行设计补偿。

(3) 四线制中采用两根引线为热电阻提供恒定电流, 把电阻值转换成相应的电压信号, 再通过另两根引线把被测的电压值引入二次仪表, 所得到的电压值即为热电阻两端的电压的真实值, 这种引线方式完全的消除因引线产生的电阻影响, 可用于高精度的温度测量场合。

因此, 航空发动机的相关热电阻温度测量中, 影响被试发动机运转安全, 参考航空发动机控制等参数尽可能采用精度最高的四线制接线方式, 而对于存在后期线路改装过程中, 线路资源紧张, 布线困难等温度参数, 可以采用精度相对较低的二线制或三线制, 其可以通过测量线阻大小或在板卡信号端传感器输出端加载标准电阻值进行校准, 可以相应的减小因引线方式的线阻误差。

响应延迟

热电阻测量元件, 一般采用钢质材料对传感器进行封装, 封装后的成品传感器, 在测量时, 首先封装的壳体受到加热, 并将热量传递到中间的热电阻部分, 从而实现环境温度的测量。因此, 由于传感器封装材料以及热电阻材料的存在的热容性, 在变化的温度场内, 受感器达到所测实际环境温度, 必定存在时间延迟。时间延迟的大小与所选传感器封装材料、热电阻材料、传感器的外形和温度变化的范围相关。

文献一文讨论了不同的热电阻温度传感器在阶跃温升环境情况下的响应情况下, 选用的热电阻传感器通常需几分钟时间才能达到与环境一致的温度。文献通过对未经封装的快速响应热敏电阻进行测温的时间延迟进行相关试验, 延迟时间达到了0.3s, 在实际使用中, 经封装的传感器, 延迟还会增加。延迟时间的长短与封装结构和材料相关, 结构厚重, 热容性大, 其温度上升或下降则较慢。

在发动机的热电阻温度测量应用中, 考虑被测环境的特殊复杂性, 尤其需考虑产品质量的安全性, 可靠性, 必须对热电阻传感器进行可靠封装, 但在测量温度信号时应考虑封装及热电阻本身对温度信号滞后性, 特别在温度突升的情况下。

自身过电发热

热电阻在实际使用中, 采用恒定的电流接入, 因此当电流通过热电阻时会致其本身发热, 阻值越大发热越严重, 使其阻值变大。在测量一个恒温环境, 由于自身通电的发热, 其测得的温度值要大于环境值, 因此, 在实际使用中, 应选择合适的通过电流大小, 阻值相关文献指出, 其电流应不大于6m A。且选用的热电阻传感器时, 即要保证采集板卡能够对感受到的电压的精度测量, 同时兼顾其过电发热影响, 阻值不宜太大。

结语

经以上对热电阻测量温度的影响因素分析, 在被试航空发动机试验中实际应用中, 应该考虑以下几点:

1) 测试之前应该尽可能了解被测对象的温度范围, 选用合适材料的热电阻温度传感器, 避免在其非线性区域进行测试;

2) 选用四线制接法可以完全消除引线电阻对测量温度的影响, 在不得不使用二线制或三线制时, 应该对引线的线阻误差进行校准消除, 使得误差最小;

3) 温度瞬变较大的环境中, 应该考虑热电阻传感器测量温度的滞后性, 选用传感器时, 应该在结构安全可靠的情况下, 选择封装结构小, 易受环境加热的传感器, 若条件允许, 应该进行测量温度的滞后性试验, 得到动态响应特性;

4) 采集器的供电应该可能的小, 避免其热电阻自身发热带来的误差影响。