热电偶测温的误差分析

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工 艺 与 装 备 33热电偶测温的误差分析金 伟 抑靖波 z 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。

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 l ，而管外部分的长度为 l2，管内被测流体 的温度为 t。，而外部环 境温度为 to，假设 t >to，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 t。，这个差值 t2一t 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截面长杆的稳定导热理论 ，可以得到导 热误差 的关 系式为 ：tz-h-一————— U_————一 (1)ch(bl1)l 1+ 131 th(bl1)cth(b212)lM图 1式 中bl 、／ 'bz 、／最 a ，a2为管 内外介 质对测 温管之 间的换热 系数 ；S ，S：为管内外两段测温管 的截面周长 ，S =S =叮rd ； 。， ：为管内外 两段测温 管的热 导率 ， = ；A。，A 为管 内外两段测温管 的截面积，A。=A：；1。，l：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 h-to越大 ，a2越大 ，测温误差越大 。对 外露部分进行保温使 tl-to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 lJ增加，双曲余弦ch(b l )、双曲正切 tl1(b l )都增加 ，导热误差减小 ；当测温管外露部分l：减小 ，双曲余切 ctll(b2l2)增加，测温误差也减小。

(4)当换热系数增加 a ，b 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 s ／A。，使 b 增加 ，可以使误差减小 。而s=耵d。，A =盯(do+d。)8／2(式中 ，d。为测温管 内径 ；d 为测温管外径 ；8为测温管壁厚 ，如图 2所示 )，所 以要想增加s ，A ，就应该使测温管的壁厚 8、外径 d 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。

图 2(6)测温管材料的热导率减小使增加 ，误差减小 ，但。= ，又会使 b 增加 ，误差增大 ，因 b 的影响 比 b：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T '』r表示由于辐射原因造成的测温元件的温度降，据热力学现代制造技术与装备 2013第4期总第215期与传热学理论可知其大小可用下式计算?。

r2一T1=一_生—!一(T24-To4) (2)0【式中，r 】为被测介质温度，K；T 为被测元件温度，K；T0为被测容器壁 温度 ，K；8为测温元件表面材料发射率(黑度 系数 )；盯 为斯 蒂芬 一玻耳兹曼 常数 ；d 为被测介质与测温元件 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( 一T04)。因为与 T：、T0有 4次方 的关系 ，因此 T 、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 的内壁要做得非常光亮。

(2)增加气流和测温元件之间的对流换热系数l 2l。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。

(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 ，T2一T。与测温元件表面材料黑度系数 ￡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 (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。

量。

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(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[ 。

(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。

图 51．4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 t 低于表面温度 to(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 t：，它 和表面温度t 有个差值 ，且 t

tt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)38 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。

参考文献[1]邹祖烨 等．国外代用燃料汽车发展概览．北京：中国铁道 出版社 ，1998．12.

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(上接第 34页)的接触面积。如图 7所示为热电偶与被测表面的四种接触形式 ，这 四种形式 ，通过热电极 向外散失的热量可 以认为是一样的 ，只不过(a)是将散热量集 中在一 “点”上 ；(d)是散热量分散在两“点”上 ；(b)的散热量则由金属 片所接触的那块表面共同分摊 ；(C)的散热量虽也集 中在一个较小 的区域 ，但由于热 电极与被测 表面等温敷设一段距离后才 引出，散热量主要 由等温敷设段供给。

在相同的外界条件下，(a)的导热误差最大 ，(d)次之 ，(b)较小 ，(c)最小 。

3)为了减小热 电偶丝与周 围介质的对流换热 ，选择热电偶的地方应避开气流。

(d)图 7(2)热电偶 的接点导热误差 。接点导热误差是由于制作热 电偶或焊接方法不正确。为了减小接点导热误差 ，可以把接点做得尽量小 ，热电偶 的实际接点尽量靠近被测表面。

图7所示焊接方式可以减小接点导热误差，但当被测表面存 在温度梯度或被测表 面材料性质不均匀 时 ，不宜采用这样焊接方式。

3 结束语通过对热电偶测温方法及误差来源的分析 ，对热电偶测温元件引起误差的因素有了系统认识 。热电偶的不稳定The Development and Optimization of the Large Pow-er NG Engine Based On the Electric Control Lean-BurnTechnologyJIANG Zaixian。，SHI Chonghuai ，LIU Shengqian~(1．SINOTRUK Dept．Power，Jinan 250220；2．Xihua University，Chengdu 610039；3．China Heavy Automobile Group，Jinan 250002)Abstract：The development of clean alternative fuel automobile andreducing vehicle emisions of polution are important projects in Chineseautomobile industry．This article introduces a NG engine with high power，which has been developed by a company based on TurbochargedInter-Cooled Diesel engine technology．The engine optimizes the structuredesign of parts，and adopts international advan ced NG electronic control fuelgas system，which based on the electric control lean—burn technology．Byway of a large number of matching and optimization tests，the developmentand calibration for the NG engine control system have been completed.

According to the verification of test and usage of customers，it shows that thepower and economy of this engine fuly meet requirements of design indexand user’S，and the emission standard achieves to the National 1V.

Key Words：the NG Engine，lean—burn，the National 1V emissionstandard性、不均匀性都会 引起测量误差 ，热传导以及热电偶安装使用不当也会引起测量误差 ，另外有一些误差是 由于制造过程或是测量系统及仪器本身存在的误差 ，有些则是人为造成的。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 ，有些误差是可以避免和减小 的。对提高测量精度 ，延长热电偶使用寿命有一定帮助 。

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f41武彬 ，孙宏飞 ，于惠博 ，陈坤．高温热电偶保护套管 材料 的研究? ．中国仪器仪表 ，2006(08).

Thermocouple Temperature Measurement Error Anal—ysisJIN Wei ，LIU Jinbo ，BAI Yue~i(1．Lanzhou city colege，Lanzhou 730070；2．Gansu PetrochinaKunlun Cas Co．Ltd．，Lanzhou 730000)Abstract： Thermocouple in the scientific research， industrialthermoeouple is most commonly used in the temperature measurementelement，ahhough has the advantages of simple structure，in the uselarge measurement error is still produced． Based on thermocoupletemperature measurement precision analysis，understanding the causes ofthe erors，thus understanding the measuring error caused by the factorsand the thermocouple element characteristics， by taking necessarymeasures，some of the errors can be avoided an d reduced，improvingthe measurement precision，prolong the using life of the thermoeouple.

Key word s：measurement，heat balance，eror，radiation，thermalinertia