热电偶的误差与使用

热电偶误差与正确使用

概述：

热电偶是科研﹑生产最常用的温度传感器，虽然结构简单，但是，使用中不注

意仍然会产生较大测量误差。

在温度测温系统中，最常用的温度传感器—热电偶，但现场人员认为热电偶两

根线结构简单，热电偶在使用前如果不进行测试或正确使用，在现场使用中仍

然会出现各种问题。例如：安装或使用不当，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，在渗碳等还原性气氛中，如果不注意，K型热电偶也会因选择性氧化而超差。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。

热电偶是现代温度测量的一种必不可少的温度传感器，也是一种最简单﹑最普

通的温度测量仪表，热电偶在使用过程的温度误差与产品维护都是一个现场面

临的严重问题，如果使用不当就会造成直接经济损失，或者误报误判，热电偶

在温度测量担当着不可或缺的角色，针对当前存在的问题，详细探讨影响测量

误差的主要因素：

1，温度传感器插入深度﹑响应时间﹑热辐射及热阻抗等，指出热电偶丝不均质﹑铠装热电偶分流误差﹑K型热电偶的选择性氧化﹑K状态﹑使用气氛﹑绝缘

电阻及热电偶劣化等在使用中应注意事项。

2，选型：现场有时在选型上面没有充分考虑到现场的实际需要，而是用理论的思维去选型，温度适应范围太大，或太小

3，材质的把控不确定。

4，现场环境没有充分考虑

5，现场操作人员的技能

A, 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﹑气氛﹑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。

(1) 装配式热电偶的寿命我国标准中仅对热电偶的稳定性有要求。即规定在某

一温度下经200h，使用前后热电动势的变化。但是，尚未发现对使用寿命有规定。日本有关热电偶使用寿命的要求，是依据日本JIS（C-1602-1995）标准中规定的热电偶连续使用时间。对B﹑R﹑S型热电偶而言为2000h,K﹑E﹑J﹑T

型热电偶为10000h。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。对热电偶的实际使用寿命的判断，必须是通过长期收集﹑积累实际使用状态下

的数据，才有可能给出较准确的结果[5]。

(2) 铠装热电偶的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。

B,插入深度的影响

（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。测温点

的位置，对于生产工艺过程而言，一定要具有典型性、代表性，否则将失去测

量与控制的意义。

（2）插入深度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，插入深度可以浅一些，

具体数值应由实验确定。

C,响应时间的影响

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，差别

极大。对于气体介质，尤其是静止气体，至少应保持30min以上才能达到平衡；对于液体而言，最快也要在5min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仅跟不上被测对象的温度变化速度出现滞后，而且也会因

达不到热平衡而产生测量误差。最好选择响应快的传感器。对热电偶而言除保

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，其热响应时间越短。测温元件热响应误差可通过下式确定 [1]。

Δθ=Δθ0exp（-t/τ）（2—1）式中 t—测量时间 S，Δθ—在 t 时刻，测温元件

引起的误差，K或℃Δθ0—“t=0” 时刻，测温元件引起的误差，K或℃τ—时间

常数 S e —自然对数的底（2.718）因此，当t=τ时，则Δθ=Δθ0/e 即为0.368，如果当t=2τ时,则Δθ=Δθ0/e2 即为0.135。当被测对象的温度,以一定的速度

α(k/s或℃/s)上升或下降时,经过足够的时间后,所产生的响应误差可用下式表示：Δθ∞=-ατ （2—2）式中Δθ∞—经过足够时间后，测温元件引起的误差。由式（2—2）可以看出，响应误差与时间常数（τ）成正比。为了提高检定效率许多企业采用自动检定装置，对入厂热电偶进行检定，但是，该装置也并非十分完善。二汽变速箱厂热处理车间就发现如果在400℃点的恒温时间不够，达不到

热平衡，就容易发生误判。

D,热辐射的影响

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：P=σε（Tw4 - Tt4 ）（2—3）式中σ—斯忒藩—波尔兹常数ε—发射率 Tt—热电偶的温度 , K Tw—

炉壁的温度 , K 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）（2—4）式中α—热导率A—热电偶的表面积在正常状态下，P= P′，其误差为： Tt-T=σε（Tt4-Tw4）