一、熱電偶測溫基本原理
將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B連接起來,構(gòu)成一個(gè)閉合回路,就構(gòu)成熱電偶.如圖1所示.溫度t端為感溫端稱為測量端, 溫度t0端為連接儀表端稱為參比端或冷端,當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)t和t0之間存在溫差時(shí),就在回路中產(chǎn)生電動勢EAB(t,t0), 因而在回路中形成電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)".這個(gè)電動勢稱為熱電勢,熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的.熱電勢的大小與t和t0之差的大小有關(guān).當(dāng)熱電偶的兩個(gè)熱電極材料已知時(shí),由熱電偶回路熱電勢的分布理論知熱電偶兩端的熱電勢差可以用下式表示：
EAB(t,t0)＝EAB(t)－EAB(t0)
式中 EAB(t,t0)－熱電偶的熱電勢；
EAB(t)－溫度為t時(shí)工作端的熱電勢；
EAB(t0)－溫度為t0時(shí)冷端的熱電勢.
從上式可看出!當(dāng)工作端的被測介質(zhì)溫度發(fā)生變化時(shí),熱電勢隨之發(fā)生變化,因此,只要測出EAB(t,t0)和知道EAB(t0)就可得到EAB(t),將熱電勢送入顯示儀表進(jìn)行指示或記錄,或送入微機(jī)進(jìn)行處理,即可獲得測量端溫度t值.
要真正了解熱電偶的應(yīng)用則不得不提到熱電偶回路的幾條重要性質(zhì)：

質(zhì)材料定律：由一種均質(zhì)材料組成的閉合回路,不論材料長度方向各處溫度如何分布,回路中均不產(chǎn)生熱電勢.這條規(guī)律要求組成熱電偶的兩種材料必須各自都是均質(zhì)的,否則會由于沿?zé)犭娕奸L度方向存在溫度梯度而產(chǎn)生附加電勢,從而因熱電偶材料不均引入誤差.
中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中插入第三種（或多種）均質(zhì)材料,只要所插入的材料兩端連接點(diǎn)溫度相同,則所插入的第三種材料不影響原回路的熱電勢.這條定律表明在熱電偶回路中可拉入測量熱電勢的儀表,只要儀表處于穩(wěn)定的環(huán)境溫度即可.同時(shí)還表明熱電偶的接點(diǎn)不僅可經(jīng)焊接而成,也可以借用均質(zhì)等溫的導(dǎo)體加以連接.
中間溫度定律：兩種不同材料組成的熱電偶回路,其接點(diǎn)溫度分別為t和to時(shí)的熱電勢EAB(t,to)等于熱電偶在連接點(diǎn)溫度為(t,tn)和(tn,to)時(shí)相應(yīng)的熱電勢EAB(t,tn)和EAB(tn,to)的代數(shù)和,其中tn為中間溫度.該定律說明當(dāng)熱電偶參比端溫度不為0℃時(shí),只要能測得熱電勢EAB(t,to),且to已知,仍可以采用熱電偶分度表求得被測溫度t值.
連接導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中,如果熱電偶的電極材料A和B分別與連接導(dǎo)線A1和B1相連接（如下圖所示）,各有關(guān)接點(diǎn)溫度為t,tn和to,那么回路的總熱電勢等于熱電偶兩端處于t和tn溫度條件下的熱電勢EAB(t,tn)與連接導(dǎo)線A1和B1兩端處于tn和to溫度條件的熱電勢EA1B1(tn,to)的代數(shù)和.
中間溫度定律和連接導(dǎo)體定律是工業(yè)熱電偶測溫中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線的理論依據(jù).
二、各種誤差引起的原因及解決方式
2.1 熱電偶熱電特性不穩(wěn)定的影響
2.1.1 玷污與應(yīng)力的影響及消除方法
熱電偶在生產(chǎn)過程中,偶絲經(jīng)過多道縮徑拉伸在其表面總是受玷污的,同時(shí),從偶絲的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看,不可避免地存在應(yīng)力及晶格的不均勻性.因淬火或冷加工引入的應(yīng)力,可以通過退火的方法來基本消除,退火不合格所造成的誤差,可達(dá)十分之幾度到幾度.它與待測溫度及熱電偶電極上的溫度梯度大小有關(guān).廉金屬熱電偶的偶絲通常以“退火”狀態(tài)交付使用,如果需要對高溫用廉金屬熱電偶進(jìn)行退火,那么退火溫度應(yīng)高于其使用溫度上限,插入深度也應(yīng)大于實(shí)際使用的深度.貴金屬熱電偶則必須認(rèn)真清洗(酸洗和四硼酸鈉清洗)和退火,以清除熱電偶的玷污與應(yīng)力.
2.1.2 不均勻性的影響
一般來說熱電偶若是由均質(zhì)導(dǎo)體制成的,則其熱電勢只與兩端的溫度有關(guān),若熱電極材料不是均勻的,且熱電極又處于溫度梯度場中,則熱電偶會產(chǎn)生一個(gè)附加熱電勢,即“不均勻電勢”.其大小取決于沿?zé)犭姌O長度的溫度梯度分布狀態(tài),材料的不均勻形式和不均勻程度,以及熱電極在溫度場所處的位置.造成熱電極不均勻的主要原因有：在化學(xué)成分方面如雜質(zhì)分布不均勻,成分的偏析,熱電極表面局部的金屬揮發(fā),氧化或某金屬元素選擇氧化,測量端在高溫一的熱擴(kuò)散,以及熱電偶在有害氣氛中受到玷污和腐蝕等.在物理狀態(tài)方面有應(yīng)力分布不均勻和電極結(jié)構(gòu)不均勻等.
在工業(yè)使用中,有時(shí)不均勻電勢引起的附加誤差竟達(dá)30℃這多,這將嚴(yán)重地影響熱電偶的穩(wěn)定性和互換性,其主要解決方式就是對其進(jìn)行檢驗(yàn),只使用在誤差允許范圍內(nèi)的熱電偶.
2.1.3 熱電偶不穩(wěn)定性的影響
不穩(wěn)定性就是指熱電偶的分度值隨使用時(shí)間和使用條件的不同而起的變化.在大多數(shù)情況下,它可能是不準(zhǔn)確性的主要原因.影響不穩(wěn)定性的因素有：玷污,熱電極在高溫下?lián)]發(fā),氧化和還原,脆化,輻射等.若分度值的變化相對地講是緩慢而又均勻的,這時(shí)經(jīng)常進(jìn)行監(jiān)督性校驗(yàn)或根據(jù)實(shí)際使用情況安排周期檢定,這樣可以減少不穩(wěn)定性引入的誤差.
2.2 參考端溫度影響及修正方法
熱電偶的熱電動勢的大小與熱電極材料以及工作端的溫度有關(guān).熱電偶的分度表和根據(jù)分度表刻度的溫度顯示儀表都是以熱電偶參考端溫度等于0℃為條件的.在實(shí)際使用熱電偶時(shí),其冷端溫度(參考端) 不但不為0 ℃,而且往往是變化的,測溫儀表所測得的溫度值就會產(chǎn)生很大誤差,在這種情況下,我們通常采用如下方法來修正.
2.2.1 熱電勢補(bǔ)正法
由中間溫度定律可知,參考端溫度為tn時(shí)的熱電勢EAB(t,tn)＝EAB(t,t0)－EAB(tn,t0).所以,用常溫下的溫度傳感器,只要測出參比端的溫度tn,然后從對應(yīng)電偶的分度表中查出對應(yīng)溫度下的熱電勢E（tn,t0）,再將這個(gè)熱電勢與所實(shí)測的E(t,tn)代數(shù)相加,得出的結(jié)果就是熱電偶參比端溫度為0度時(shí),對應(yīng)于測量端的溫度為t時(shí)的熱電勢E（t,t0）最后再從分度表中查得對應(yīng)于E(t,0)的溫度,這個(gè)溫度就是熱電偶測量端的實(shí)際溫度t.在計(jì)算機(jī)應(yīng)用日益廣泛的今天,可以利用軟件處理方法,特別是在多點(diǎn)測量系統(tǒng)或高溫測控中,采用這種方法,可很好的解決參比端溫度的變化問題,只要隨時(shí)準(zhǔn)確的測出tn,就可以準(zhǔn)確得到測量端溫度.同時(shí)還充分應(yīng)用了對應(yīng)熱電偶的分度表,并對非線性誤差得到了校正,而且適應(yīng)各種熱電偶.
2.2.2 調(diào)儀表起始點(diǎn)法
由于儀表示值是EAB(tn,t0)對應(yīng)于熱電勢,如果在測量線路開路的情況下,將儀表的指針零位調(diào)定到tn處,就當(dāng)于事先給儀表加了一個(gè)電勢EAB(tn,t0),當(dāng)用閉合測量線路進(jìn)行測溫時(shí),由熱電偶輸入的熱電勢EAB(tn,t0)就與EAB(t,tn)疊加,其和正好等于EAB(t,t0).因此對直讀式儀表采用調(diào)儀表起始點(diǎn)的方法十分簡便.
2.2.3 補(bǔ)償導(dǎo)線
采用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的參考端延長到溫度較恒定的地方,再進(jìn)行修正.從本質(zhì)上來說它并不能消除參考端溫度不為0℃時(shí)的影響,因此,還應(yīng)該與其它修正方法結(jié)合才能將補(bǔ)償導(dǎo)線與儀表連接處的溫度修正到0℃.此時(shí)參考端己變?yōu)橐粋€(gè)溫度不變或變化很小的新參考端.此時(shí)的熱電偶產(chǎn)生熱電勢己不受原參考端溫度變化影響, EAB ( T、T10 ) 是新參考端溫度T10 (不等于℃) ,且T10 為一常數(shù)時(shí)所測得熱電勢, TAB( T、T10 ) 是參考端溫度T0 = 0 ℃時(shí),工作端為T10時(shí)所測得熱電勢(熱電偶分度表中可查出) .
使用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí),不僅應(yīng)注意補(bǔ)償導(dǎo)線的極性,還應(yīng)特別注意不要錯(cuò)用補(bǔ)償導(dǎo)線,同時(shí)應(yīng)注意補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接處的兩端溫度保持相等,且溫度在0－100℃（或0－150℃）之間,否則要產(chǎn)生測量誤差.
2.2.4 參考端溫度補(bǔ)償器
補(bǔ)償器是一個(gè)不平衡電橋,電橋的3 個(gè)橋臂電阻是電阻溫度系數(shù)很小的錳銅絲繞制的.其阻值基本上不隨溫度變化而變化,并使R1 = R2 =R3 = 1Ω.另一個(gè)橋臂電阻Rt 是由電阻溫度系數(shù)較大的銅繞制而成,并使其在20 ℃時(shí)Rt = R1 =1Ω ,此時(shí)電橋平衡,沒有電壓輸出,當(dāng)電橋所處溫度發(fā)生變化時(shí), Rt 的阻值也隨之改變,于是就有不平衡電壓輸出,此輸出電壓用來抵消參考端溫度變化所產(chǎn)生的熱電勢誤差,從而獲得補(bǔ)償.（注：我國也有以0℃作為平衡點(diǎn)溫度的）當(dāng)溫度達(dá)到40℃（即計(jì)算點(diǎn)溫度）時(shí)橋路的輸出電壓恰好補(bǔ)償了熱電偶參比端溫度偏離平衡點(diǎn)溫度而產(chǎn)生的熱電勢變化量.
對電子電位差計(jì),其測量橋路本身就具有溫度自動補(bǔ)償?shù)墓δ?使用時(shí)無需再調(diào)整儀表的溫度起始點(diǎn).除了平衡點(diǎn)和計(jì)算點(diǎn)外,在其他各參比端溫度值時(shí)只能得到近似的補(bǔ)償,因此采用冷端補(bǔ)償器作為參比端溫度的處理方法會帶來一定的附加誤差.
2.3 傳熱及熱電偶安裝的影響
由于熱電偶測溫是屬于接觸式測量,當(dāng)熱電偶插入被測介質(zhì)時(shí),它要從被測介質(zhì)吸收熱量使自身溫度升高,同時(shí)又以熱輻射方式和熱傳導(dǎo)方式向溫度低的地方散發(fā)熱量,當(dāng)測量端各外散失的熱量等于自氣流中吸收的熱量時(shí)即達(dá)到動態(tài)平衡,此時(shí)熱電偶達(dá)到了穩(wěn)定的示值,但并不代表氣流的真實(shí)溫度,因?yàn)闇y量端環(huán)境散失的熱量是由氣流的加熱來補(bǔ)償,也就是說測量端與氣流的熱交換處于不平衡狀態(tài),因此,它們的溫度也不可能具有相同的數(shù)值.測量端與環(huán)境的傳熱愈強(qiáng),測量端的溫度偏離氣流溫度也愈大.
2.3.1 熱輻射誤差
熱輻射誤差產(chǎn)生的原因是熱電偶測量端與環(huán)境的輻射熱交換所引起的,這是熱電偶與氣流之間的對流換熱不能達(dá)到熱平衡的結(jié)果.減少輻射誤差的辦法,一是加劇對流換熱,二是削弱輻射換熱.具體方法有：
盡量減少器壁與測量端的溫差,即在管壁鋪設(shè)絕熱層；
在熱電偶工作端加屏蔽罩；
增大流體放熱系數(shù),即增加流速,加強(qiáng)擾動,減小偶絲直徑或使熱電極與氣流形成跨流等.
2.3.2 導(dǎo)熱誤差
在測量高溫氣流的溫度時(shí),由于沿?zé)犭娕奸L度存在溫度梯度,故測量端必然會沿?zé)犭姌O導(dǎo)熱,使得指示溫度偏離實(shí)際溫度.導(dǎo)熱量相差越多,相應(yīng)的誤差就越大,因此凡能加劇對流和削弱導(dǎo)熱的因素都可以用來減少導(dǎo)熱誤差.具體方法有：
增加L/d；
將熱電偶垂直安裝改成斜裝或彎頭處安裝,安裝時(shí)應(yīng)注意使熱電偶的端對著氣流方向,并處在流速最大的位置上；
選用熱電偶和支桿導(dǎo)熱系數(shù)較小的材料.
2.4 測量系統(tǒng)漏電影響
絕緣不良是產(chǎn)生電流泄漏的主要原因,它對熱電偶的準(zhǔn)確度有很大的影響,能歪曲被測的熱電勢,使儀表顯示失真,甚至不能正常工作.漏電引起誤差是多方面的,例如,熱電極絕緣瓷管的絕緣電阻較差,使得熱電流旁路.若電測設(shè)備漏電,也能使工作電流旁路,使測量產(chǎn)生誤差.由于測量熱電勢的電位差計(jì)都是低電阻的,因此它對絕緣電阻的要求并不高,影響熱電勢測量的漏電主要是來處被測系統(tǒng)的高溫,因?yàn)闊犭娕急Ｗo(hù)管和熱電極的絕緣材料的絕緣電阻將隨著溫度升高而下降,我們通常所說的鎧裝熱電偶的“分流誤差”就屬這類情況.一般是采用接地或其它屏蔽方法.對鎧裝熱電偶的分流誤差我們通常是以增大其直徑；增加絕緣層厚度；縮短加熱帶長度；降低熱電偶的電阻值等方法來降低誤差的.
2.5 動態(tài)響應(yīng)誤差
熱電偶插入被測介質(zhì)后,由于本身具有熱惰性,因此不能立即指示出被測氣流的溫度,只有當(dāng)測量端吸、放熱達(dá)到動態(tài)平衡后才達(dá)到穩(wěn)定的示值.在熱電偶插入后到示值穩(wěn)定之前的整個(gè)不穩(wěn)定過程中,熱電偶的瞬時(shí)示值與穩(wěn)定后的示值存在著偏差,這時(shí)熱電偶除了有各種穩(wěn)定的誤差外,還存在由熱電偶熱惰性引入的偏差,即動態(tài)響應(yīng)誤差.克服這類誤差的方法,一是確定動態(tài)響應(yīng)誤差,予以修正；二是將動態(tài)響應(yīng)誤差減少到允許要求的范圍之內(nèi),此時(shí)可認(rèn)為T測＝T氣.
2.6 短程有序結(jié)構(gòu)變化（K狀態(tài)）的影響
K型熱電偶在250－600℃范圍內(nèi)使用時(shí),由于其顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,形成短程有序結(jié)構(gòu),因此將影響熱電勢值而產(chǎn)生誤差,這就是所謂的K狀態(tài).這是Ni-Cr合金特有的晶格變化,當(dāng)WCr在5%－30%范圍內(nèi)存在著原子晶格從有序至無序?yàn)?由些引起的誤差,因Cr含量及溫度的不同而變化.一般在800℃以上短時(shí)間熱處理,其熱電特性即可恢復(fù).由于K狀態(tài)的存在,使K型熱電偶檢定規(guī)程中明文規(guī)定檢定順序：由低溫向高溫逐點(diǎn)升溫檢定.而且在400℃檢定點(diǎn),不僅傳熱效果不佳,難以達(dá)到熱平衡,而且,又恰好處于K狀態(tài)誤差最大范圍.因此,對該點(diǎn)判定合格與否時(shí)應(yīng)很慎重.Ni-Cr合金短程有序結(jié)構(gòu)變化現(xiàn)象,不僅存在于K型,而且,在E型熱電偶正極中也有此現(xiàn)象.但是,作為變化量E型熱電偶僅為K型的2/3.總之,K狀態(tài)與溫度、時(shí)間有關(guān),當(dāng)溫度分布或熱電偶位置變化時(shí),其偏差也會發(fā)生很大變化.故難以對偏差大小作出準(zhǔn)確評價(jià).
三、小結(jié)
通過對熱電偶原理及誤差來源的總結(jié),對以熱電偶溫度計(jì)量誤差情況有了系統(tǒng)認(rèn)識,得出了一些結(jié)論.熱電偶的不穩(wěn)定性、不均勻性、參考端溫度變化、熱傳導(dǎo)以及熱電偶安裝使用不當(dāng)會引起測量誤差,有一些是由于加工制造過程中,或是測量系統(tǒng)及儀器本身存在的誤差,還有一些則是人為造成的,對這一部分只要我們細(xì)心并對熱電偶的特性有一定的了解則是可以避免的.