热电偶测温的误差分析_金伟

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现代制造技术与装备
2013 第 4 期 总第 215 期
排放性能的 NG 单燃料发动机。 采 用 电 控 调 压 进 气 、稀 薄 燃 烧 技 术 、以 及 氧 化 型 催 化
器 ，在 有效 地 降低 排 气 温 度 的 同 时 ，可 以 使 发 动 机 排 放 水 平满足国Ⅳ的要求。
采 用 控 制 增 压 器 废 气 旁 通 阀 开 度 的 方 法 ，可 以 精 确 优 化 NG 发动机的扭矩曲线，满足发动机动力性的要求。
工艺与装备
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热电偶测温的误差分析
金 伟 1 枊靖波 2 白月飞 1
（1 .兰 州 城 市学 院 ，兰 州 730070 ；2 . 甘肃 中 石 油 昆 仑 燃 气 有 限 公 司 ，兰 州 730000）
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。
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。
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。
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 。
截面长杆的稳定导热理论，可以得到导热误差的关系式
为：
蓘 蓡 t2-t1=-
ch（b1l1）
1+
t1-t0
b1 b2
th（b1l1）cth（b2l2）
（1）
t0
a2
M
t1
a1
t2
图1
式中
姨 姨 b1=
a1s1 λ1A1
，b2=
a2s2 λ2A2
a1，a2 为 管 内 外 介 质 对 测 温 管 之 间 的 换 热 系 数 ；S1，S2
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
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与传热学理论可知其大小可用下式计算[1]。
T2-T1=-εσLeabharlann α蓸 T 24-T04 蔀
（2）
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
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
（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。
关键词：测量 热平衡 误差 辐射 热惯性
引言
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
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
参考文献
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1热电偶测温误差分析11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t1t0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t2t1即为沿测温管长度方向的导热误差
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
t0
t0
B
A
t0 A
t0 B
t
t
图5
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 t（0 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＜t1，这 个 误差 称 为 热 电 偶 的 接 点 导 热 误 差。下面来分析这些误差。
A
B
t2
t0
t1 图6 （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 （下转第 38 页）
l1
图2 （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
（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
t t1
t
t'1
t1
t'2
t2
t2
0
τ
τ
图3
图4
（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]。