热电偶固有特性引起的误差分析

        热电偶的热电特性将随其成分、 微观结构及残余应力大小而变化。 即使同一型号的热电偶，它们的 E-t关系也不一致。 各种热电偶都是在一定的误差范围内与相应的分布表符合。 此种误差虽可通过检定的方法加以修正，但应指出，修正只是补正分度表与实际 E-t间的偏差，不意味着完全消除了热电偶的误差，至少还具有上一级标准热电偶的传递误差。

 

二、热电偶不均匀引起的误差

        均匀的热电偶产生的热电动势， 只与测量端、参考端温度有关。可是，如果热电偶丝不均质，并且沿偶丝长度方向存在温度梯度，将引起热电动势变化。 即使是新的热电偶，实际上仍有不均质问题存在，而且在装配时还将产生应力。还可能因为加热或冷却速度在某局部不相同或者因化学反应产生的斑点等所引起的不均质，导致的误差是不可避免的。 不均质误差是由于在使用时不均质部分处于有温度梯度的场合所产生的误差，即不均质误差与测温时沿热电偶长度方向的温度梯度有关。 温度梯度越大，材质的不均匀性影响就越大。 例如有的热电偶在检定炉内检定合格，但使用时未必合格，其中主要原因之一，就是材质不均匀产生附加电动势造成的。 因此，热电偶的受检定状态应尽可能与使用状态一致，这点必须注意。为探讨材质不均匀的影响， 在 1560℃ 下将 S 型热电偶插入炉内深度为 360mm ，产生误差为 1.3℃ ；插入440mm ，误差为 0.4℃ 。对 B 型热电偶而言，在相同条件下其误差分别为 0.5℃ 与 0.1℃ 。 这些误差数值表明，由上述热电偶的测量端起至 15mm 的这部分，是很不均匀的，在此 15mm 间产生误差的均匀值如表 1 所示。

 

        所以，在测温点附近即使有极小的温度梯度，也会引起 0.1℃ 左右的误差，使用时要注意。 不均质的测量方法很多，但作为实用方法，以同时比较同种热电极丝为好。

三、由滞后现象引起的误差

        热处理温度与时间的关系如表 2 所示， 由于冷却速度不同，在低温下存在各种准平衡状态是引起滞后现象的原因。显微结构的变化将引起热电动势 - 温度特性滞后。这种滞后现象通常随热电极丝的加工状态、加热温度、时间、冷却速度的不同而相异。例如，在某温度下加热后， 以极其缓慢的速度冷却， 则不发生滞后现象。在实际使用时，冷却的时间常数为（ 5~10 ） min ，就可以避免滞后现象。 当使用温度变化时，如有滞后现象发生，将引起滞后误差。 对于 S 或 R 型热电偶，该误差可达 0.6℃ 。 使用前预先将热电极丝全长在 1100℃ 下进行热处理，则可以避免此种误差。 如果进行上述热处理有困难时，要尽可能在与使用状态相同的条件（温度梯度分布及热循环情况）下校准。镍铬热电极与铂铑极滞后现象相似，镍铬热电极的加热温度与时间的不同， 使热电动势率发生变化。

        这种滞后现象对温度测量的影响， 同铂铑丝相比，约大一个数量级，有时该误差竟达 8℃ 。 在 200℃~500℃范围内的热循环过程中，引起的误差可达 80μV 。 tuijian在 450℃ 下， 对热电极丝全长进行预处理的时间达80min 。

 

        如果是纯金属金 - 铂、银 - 钯制成的热电偶，则不必担心上述滞后现象。

 

四、寄生电动势引起的误差

        从热电偶参考端到测量回路中，只要有很小的温度梯度，那么在不同金属接触处就将产生寄生热电动势。如果有水，可能还将产生化学寄生热电动势。为了消除化学寄生电动势，应避免沾着水分。 为保证导线的物理化学性能相同，应从同一卷导线上截取，#好在冰点装置内将两根线短路， 测量其寄生电动势，找出不产生寄生热电动势的导线。 而且，整套测量装置要尽可能避免放在有日光直接照射或者辐射以及容易引起温度梯度的场所，并采取必要的遮蔽或保温措施，可使寄生热电动势降至 1μV 以下。 对于高精度测量， 要选用热电动势小的切换开关与极性转换开关，不但要将其放入无温度梯度场所，而且在开关中要放置一短路装置，通过测量零电压来补偿回路的寄生电动势更好。 采用此种方法，可将寄生电动势的影响减小到 0.02μV 左右。

 

五、热传导误差

        为了消除热电极丝的热传导误差，必须考虑热电偶的插入深度以及温度分布等。该种热传导误差将随热电极的材质、尺寸、绝缘物、保护管的材质、尺寸，周围流体的特性、流速及表面状态的不同而变化，并随环境温度与温度分布情况而改变。

 

        当沿热电极丝的温度分布为斜线时，其热传导误差 Δθ 为

        Δθ=Lθ m 〔 exp （ -x 1 /L ） -exp （ -x 2 /L ）〕 / 〔（ 1+β ）（ x 2 -x 1 ）〕（ 1 ）

        当温度分布为二次曲线时，其热传导误差 Δθ 为Δθ=θ 2L / 〔 2 （ 1+β ）〕 （ 2 ）

        热传导误差常数如表 3 所示。 例如对 K 型热电偶，Φ3.2 电极丝的 L=25mm ， β=0.37 ， x 1 =150mm ， x 2 =300mm ，

        由式（ 1）可求得Δθ≈0.3℃

 

        在用比较法检定热电偶时，为了获得 0.1℃ 的检定准确度，其检定炉的恒温带长#好为（ 150~200 ） mm ，均匀性应在 ±1℃ 以内。

六、动态误差

        测量仪表不能跟踪被测物体的温度变化所引起的误差。 对于静止或温度变化缓慢的物体，动态误差很小。 但对高速气流或瞬间变化的温场，由于测温元件的热惰性，动态误差可能很大。 这时必须采用小惰性热电偶才能减少动态误差。