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1 引言

由于具備測溫范圍廣、精度高、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等眾多優(yōu)勢，熱電偶被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)中[1]。精que的熱電偶測量，尤其是關(guān)鍵的敏感電路和設(shè)備，對(duì)電子工程、機(jī)械工程等基礎(chǔ)科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域至關(guān)重要[2]。為了降低測量偏差，熱電偶在使用過程有很多注意事項(xiàng)，例如正確安裝點(diǎn)、正負(fù)極不能接反、需冷端補(bǔ)償、電磁干擾等環(huán)境因素干擾等。本文詳細(xì)闡述并分析熱電偶的測量誤差及其產(chǎn)生原因，探討并揭示減少、消除熱電偶測量誤差的策略和具體解決方法。 

 

2 熱電偶原理

塞貝克（Seebeck）效應(yīng)，又稱地衣熱電效應(yīng)，它是指由于兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間電壓差的熱電現(xiàn)象。熱電偶是根據(jù)塞貝克原理，將兩種不同金屬材料焊接在一起實(shí)現(xiàn)測溫的傳感器[2]。如圖 1 所示，一端焊接在一起（稱為熱端），熱端受熱后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小的熱電電壓。另一端（稱為冷端）連接到測量儀表或是采集模塊上，將熱電電壓的變化顯示為溫度變化[3,4]。

3 熱電偶主要特點(diǎn)

具有測量范圍大、測量精度高、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)時(shí)間快、成本低的優(yōu)勢，熱電偶被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中。熱電偶主要特點(diǎn)見表1。

4 熱電偶分類

熱電偶的分類方法很多，比如按分度號(hào)、連接點(diǎn)類型、外形結(jié)構(gòu)、金屬類別等，從不同角度熱電偶都可以分類。 

 

4.1 分度號(hào)

根據(jù)國際上常用標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的熱電偶，分度號(hào)主要有J /K /T /E/N /R /S /B /G /C /D 等。各分度號(hào)正負(fù)極的具體合金材料見表2。

極性的標(biāo)準(zhǔn)做法一般分為兩種，如圖2所示：（1）ANSI色標(biāo)（美國guojia標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)）：將負(fù)極標(biāo)記為紅色；（2）IEC（國際電工委員會(huì)）：將負(fù)極標(biāo)記為白色。

4.2 連接點(diǎn)類型

一般分為三種：外露型、非接地型和接地型，如圖3所示。

外露型：連接點(diǎn)伸出了護(hù)套材料，響應(yīng)時(shí)間在三者中#快。

非接地型：連接點(diǎn)與護(hù)套材料電氣隔離，而護(hù)套材料也起到屏蔽的作用，抗電噪聲能力在三者中#有優(yōu)勢。

接地型：連接點(diǎn)直接焊接到護(hù)套材料上，響應(yīng)時(shí)間介于外露型和非接地型之間，具體兩者的雙重優(yōu)勢。 

 

4.3 外形結(jié)構(gòu)

從外形結(jié)構(gòu)上分類，主要有裸線熱電偶（即裸露金屬絲）、帶絕緣層線熱電偶、鎧裝熱電偶（金屬護(hù)套或陶瓷護(hù)套）、表面接觸

式熱電偶（直接粘貼、磁性吸附、膠貼等方式直接接觸測溫）[7]。 

 

4.4 金屬類別

從熱電偶的金屬護(hù)套材料上分類，一般分為基金屬熱電偶（也稱廉價(jià)金屬熱電偶，比如204不銹鋼）和貴金屬熱電偶（比如XMO鉬管）。

 

5 熱電偶測量誤差分析

本章節(jié)主要從兩個(gè)方面進(jìn)行闡述：一是對(duì)熱電偶測量誤差來源進(jìn)行分析，二是闡述了減少、消除熱電偶測量誤差的具體方法。

 

測量誤差是相對(duì)于真實(shí)值而言的，測量結(jié)果與被測真實(shí)值的差值即為測量誤差。

 

對(duì)于熱電偶測量誤差來源，可分為三大類：人的因素、環(huán)境的因素和本身屬性的因素。有些誤差可以消除、完全避免，比如選型不當(dāng)、安裝不當(dāng)?shù)�。而有些誤差不可能完全消除，只能盡可能地減弱、盡量避免，比如電磁干擾、對(duì)電噪聲感應(yīng)敏感、需要冷端補(bǔ)償?shù)取?nbsp;

 

5.1 選型不當(dāng)

常見為選錯(cuò)分度號(hào)，各廠家不同分度號(hào)熱電偶都有各自精度規(guī)格。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)精度等級(jí)與其他guojia是有差異的，選型環(huán)節(jié)不能僅局限于一級(jí)或是二級(jí)精度的表面理解，而是要了解具體的精度誤差值。實(shí)際行業(yè)應(yīng)用是復(fù)雜變化多端的，比如航空航天、電力行業(yè)要求精密測量、從而進(jìn)行精que控制，所以選型環(huán)節(jié)很關(guān)鍵，根據(jù)實(shí)際精度要求正確選型。

 

筆者在3年前碰到一個(gè)生產(chǎn)半導(dǎo)體的客戶，選購了公司的一種K型標(biāo)準(zhǔn)誤差限熱電偶，產(chǎn)品精度規(guī)格為2.2℃或 0.75%（0℃以上，兩者取大值）【客戶要求為常溫至100℃之間，#大誤差為0.5℃】，客戶送檢地方計(jì)量院未通過[8]。這就是典型的選錯(cuò)分度號(hào)案例，客戶可選購公司的T型特殊誤差限熱電偶滿足要求【精度規(guī)格為0.5℃ 或 0.4%（兩者取大值）】[2]。 

 

5.2 中間連接器、延長補(bǔ)償線不匹配

熱電偶是由兩種不同材料的金屬焊接一起實(shí)現(xiàn)測溫的，這是區(qū)別熱電阻和熱敏電阻的#大區(qū)別，若需要延長線，不能用普通銅導(dǎo)線替代。熱電偶、中間連接器、延長補(bǔ)償線都要完全匹配，比如K型熱電偶，就要用K型中間連接器（公、母插頭）和K型延長補(bǔ)償線。

 

在使用延長補(bǔ)償線時(shí)，我們要注意：一是與熱電偶兩個(gè)連接點(diǎn)的溫度相同。二是延長線并非可以無限延長，#大經(jīng)驗(yàn)阻抗值為100Ω，可以基于這個(gè)值和電阻與線徑的關(guān)系系數(shù)值計(jì)算出#大允許熱電偶線長度。比如同條件下24AWG比20AWG線規(guī)（AWG:美國線規(guī)）線徑更細(xì)，橫截面積的阻值更大，可延長的長度更短。三是在限制的溫度范圍內(nèi)使用等。

 

為了消除這個(gè)誤差：一方面在工程師選型時(shí)確認(rèn)好，另一方面在現(xiàn)場施工時(shí)避免用錯(cuò)，從而保證熱電偶、中間連接器、延長補(bǔ)償線完全一致。 

 

5.3 +、-極接反

在有中間連接器、延長線的應(yīng)用中易出現(xiàn)+、-極性接反的現(xiàn)象，這是一種常見的客戶應(yīng)用現(xiàn)場故障。

下面列舉一個(gè)典型案例：一個(gè)做機(jī)械成套設(shè)備客戶使用了K型熱電偶、多芯K型熱電偶延長線和K型熱電偶面板，300℃以下#大有 30℃ 偏差，300℃ 以上正常�，F(xiàn)場單好驗(yàn)證 K 型熱電偶，測量值和實(shí)際溫度值基本一致。經(jīng)故障排除確認(rèn)，是K型熱電偶面板背部的+、-極性接反了。如圖4所示：右邊為正確接法，左邊正負(fù)極接反，其中1表示中間連接器，2表示延長線。

 

因此，建議用同廠家配套的，同色標(biāo)顏色一致的，如上述的ANSI色標(biāo)：紅線是負(fù)極，以便接線，每個(gè)中間連接器都需要正對(duì)正、負(fù)對(duì)負(fù)。另一方面要求施工人員掌握一定的熱電偶基本知識(shí)，或是在專業(yè)工程師指導(dǎo)下完成施工。 5.4 正確安裝點(diǎn)安裝原則為：不管是何種外形結(jié)構(gòu)的熱電偶，測溫點(diǎn)必須與待測點(diǎn)一致[9]。

 

在現(xiàn)場安裝熱電偶時(shí)，要選取正確的安裝位置。設(shè)計(jì)人員要提前出具安裝圖紙，安裝人員要按圖紙施工，另一方面有必要對(duì)安裝人員進(jìn)行培訓(xùn)，使其掌握一定熱電偶基礎(chǔ)知識(shí)。在應(yīng)用現(xiàn)場，偶爾也碰到客戶將同一個(gè)熱電偶信號(hào)并聯(lián)輸出給兩個(gè)不同的測溫設(shè)備，雖然熱電偶也是輸出電壓信號(hào)，但它是非常微弱的mV信號(hào)，基本都在幾毫伏至幾十毫伏之間。這種誤區(qū)可能導(dǎo)致讀數(shù)錯(cuò)誤或信號(hào)丟失。常用解決方案有：用雙熱電偶探頭（即探頭內(nèi)部配置了2套熱電偶，對(duì)應(yīng)輸出2路熱電偶信號(hào)），或是用信號(hào)放大器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)伏特V信號(hào)、電流4-20mA信號(hào)實(shí)現(xiàn)多路輸出。

 

如果熱電偶送檢時(shí)校準(zhǔn)方法不當(dāng)，也可能產(chǎn)生大的測量誤差，#終導(dǎo)致校準(zhǔn)未通過。

 

校準(zhǔn)鎧裝熱電偶時(shí)，基于校準(zhǔn)溫度點(diǎn)選擇對(duì)應(yīng)校準(zhǔn)設(shè)備：一 般300℃以下是用恒溫槽（液體硅油），探頭插入不同深度溫度都相同的，不過一般計(jì)量院對(duì)#大和#小插入深度也有要求的。300℃以上是用爐子的，常見有臥式爐和干體爐。探頭是要求插到底的，探頭尖端直接與內(nèi)部加熱塊接觸，因?yàn)榧词雇�一個(gè)爐子同一個(gè)腔體，不同位置點(diǎn)，溫度是不一樣的。實(shí)際上探頭插入深度與探桿直徑有一定比例關(guān)系的，所以送檢前需要確認(rèn)被檢探頭長度。另外爐腔與探桿的間隙也是有要求的，如果探桿直徑較爐腔直徑太細(xì)，也會(huì)增大測量誤差[8,10]。 

 

5.5 響應(yīng)時(shí)間

熱電偶響應(yīng)時(shí)間又稱熱電偶時(shí)間常數(shù)，它是熱電偶的本身屬性，是影響熱電偶測量誤差的一個(gè)重要因素。熱電偶響應(yīng)時(shí)間分析是需要在特定條件下進(jìn)行的，同根熱電偶響應(yīng)時(shí)間受大氣環(huán)境影響，比如大氣壓力、溫濕度不同，響應(yīng)時(shí)間也不同。另外被測介質(zhì)（固體、液體、氣體）不一樣，響應(yīng)時(shí)間也不一致。如上文論述的外露型熱電偶，在要求極快響應(yīng)時(shí)間的氣體溫度測量時(shí)被廣泛應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用中要選擇合適外形結(jié)構(gòu)的熱電偶：鎧裝、表面、外露接點(diǎn)等，盡量減少響應(yīng)時(shí)間因素導(dǎo)致的測量誤差[2,7]。 

 

5.6 焊接工藝

連接兩根熱電偶線，常用工具為專業(yè)點(diǎn)焊機(jī)，焊接工藝好壞也會(huì)直接影響熱電偶測量的準(zhǔn)確性，比如焊點(diǎn)過大（按經(jīng)驗(yàn)：焊接外露型熱電偶時(shí)，焊點(diǎn)直徑一般為 2.5 倍偶絲直徑）、引入雜質(zhì)，都會(huì)產(chǎn)生大的測量誤差。 

 

5.7 絕緣阻值

產(chǎn)品質(zhì)量決定了熱電偶使用壽命。在非接地性鎧裝熱電偶應(yīng)用中，在100℃以上誤差很大，后經(jīng)絕緣測試驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)熱電偶絕緣阻值不達(dá)標(biāo)。鎧裝熱電偶的金屬護(hù)套內(nèi)一般填充氧化鎂粉末，若水氣濕氣侵入，會(huì)被氧化鎂迅速吸收，熱電偶絕緣阻值就會(huì)下降。表3為應(yīng)用故障排除的重要相關(guān)參考指標(biāo)：

5.8 電磁干擾

電磁干擾無處不在，在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中泵、電機(jī)、電磁閥、風(fēng)機(jī)等可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，甚至溫度儀表導(dǎo)線可能會(huì)起到天線作用，從而影響了熱電偶測量值的準(zhǔn)確性。

 

為了消除或是減弱電磁干擾：一方面布線施工時(shí)熱電偶盡量院秒動(dòng)力電纜，盡可能院秒干擾源。另一方面優(yōu)化熱電偶測量系統(tǒng)，諸如使用屏蔽雙絞線；可靠接地；使用模擬信號(hào)放大器，如使用 4-20mA 信號(hào)（該信號(hào)具備長距離傳輸、更強(qiáng)抗噪聲能力）；軟件計(jì)算補(bǔ)償；使用數(shù)字量信號(hào)等。 

 

6 結(jié)束語

綜上所述，要得到精que的熱電偶溫度測量，我們不僅要避免選型、安裝不當(dāng)?shù)娜藶橐蛩�，還要考慮電磁干擾的環(huán)境因素，更要注意冷端補(bǔ)償?shù)谋旧韺傩�。筆者多年從事儀器儀表自動(dòng)化行業(yè)，基于豐富的現(xiàn)場工作經(jīng)驗(yàn)，撰寫此文希望能給從業(yè)工程師們提供一些經(jīng)驗(yàn)。