吴振宇++常婧桐++陈思
中图分类号：TH811 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0135-01
热电偶是现代测温系统中最常用的温度传感器，因其结构简单，往往被误操作，甚至有的认为热电偶两根线接上就完事，其实并非如此。热电偶的结构虽然简单，但在使用中仍会出现各种问题。例如：安装或使用方法不当，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，在使用时出现测量结果不能代表真实值的现象。
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，还应具有物理、化学及材料等多方面知识，正确使用热电偶。下面就从几方面介绍热电偶的正确使用及测量误差。
1、使用方式对测量误差的主要影响因素
1.1 插入深度的影响
热电偶的安装位置，即测温点的选择是非常重要的，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。
实际操作中，应根据不同的插入深度，选择合适直径的热电偶、保护管材质。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，导致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，插入深度应该深一些（约为直径的15～20倍），陶瓷材质保护管绝热性能好，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，流动的液体或高速气流温度的测量（如试车台、循环水管路或排气温度等），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。
1.2 响应时间的影响
接触法测温的基本原理是测温原件要与被测对象温度一致，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原件的热响应时间有关。热响应时间主要取决于传感器的结构和测量条件。对于气体介质，尤其是静止气体，至少应保持30min以上才能达到热平衡，对于液体介质，最快也需要5min以上。
对于温度不断变化的测温场所，尤其是瞬间变化过程，全过程仅1s，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，而且也会因达不到热平衡而产生较大测量误差。最好选择响应快的传感器。对热电偶而言，除受保护管影响外，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。
1.3 热辐射的影响
插入炉内用于测温的热电偶，将被炉内高温物体发出的热辐射加热，而当热电偶与炉壁的温差较大时，将因能量交换而产生测量误差。因此，为了减少热辐射误差，应加大热传导，并使炉壁温度尽可能接近热电偶的温度。另外，在安装时还应注意：①热电偶安装位置应尽可能避开从固体发出的热辐 射。②热电偶最好带有热辐射遮蔽套。
1.4 热阻抗增加的影响
在高温下使用的热电偶，如果被测介质为气态，那么保护管表面沉积的灰尘等将烧熔在表面上，使保护管的热阻抗增大；如果被测介质是熔体，在使用过程中将有炉渣沉积，不仅增加了热电偶的响应时间，而且还使指示温度偏低。因此，除了定期检定外，为了减少误差，应定期进行抽检。
2、热电偶本体特性引起的测温误差及注意的事项
热电偶材质本身不是绝对均质的影响。热电偶在计量检定时，按规程要求，插入检定炉内的深度只有300mm，因此每支热电偶的检定结果确切说只能体现或主要体现出从测量端开始300mm长偶丝的热电行为。然而，当热电偶的长度较长时，在测温时，其局部将产生热电动势，该电动势称为寄生电势。由寄生电势引起的误差称为不均质误差。这种误差在廉金属热电偶上体现的尤为明显，这是由于廉金属热电偶丝均质性较差，又处于具有温度梯度的场合。在现有贵金属、廉金属热电偶检定规程中，对热电偶的不均质尚未做出规定，只有在热电偶丝材标准中，对热电偶丝的不均匀性有一定要求。
热电偶丝经使用后产生的不均质影响。对于新制的热电偶，即使是均匀热电偶丝，但经过反复加工、弯曲致使热电偶产生加工畸变，也将使其失去均质性，而且使用中热电偶长期处于高温下也会因偶丝的劣化而引起热电动势变化。
在实践中发现，有的热电偶经计量检定为合格品，到现场使用却有明显偏高，再返回计量部门检定仍然合格，其主要原因就是偶丝不均质引起的。检定热电偶的技术人员都有切身体会，热电偶的不合格率也随其长度的增加而增加，皆是受热电偶丝材不均质的影响。总之，由不均质即寄生电动势引起的误差，取决于热电偶丝自身的不均质程度和温度梯度的大小，对其定量极为困难。为了尽量避免热电偶不均质对测温质量的影响，应该选择正规热电偶丝材生产厂家生产的符合国家标准的热电偶。
3、热电偶劣化与使用寿命
3.1热电偶的劣化
凡从事温度检测的工程技术人员皆关心热电偶使用寿命，热电偶的使用寿命与其劣化有关，所谓热电偶的劣化，即热电偶经使用后，出现老化变质的现象。由金属或合金过程的热电偶，在高温下其内部晶粒要逐渐长大。同时合金中含有少量杂志，其位置或形状也将发生变化，而且对周围环境中的还原或氧化性气体也要发生反应，伴随着上述变化，热电偶的热电动势也将极其敏感地发生变化。因此，热电偶的劣化现象是不可避免的。
3.2 热电偶使用寿命
热电偶的劣化是个逐渐量变的过程，对其定量很困难，它将随热电偶的种类、直径、使用温度、气氛和时间的不同而变化。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。
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的寿命。对热电偶的实际使用寿命的判断，必须要通过长期收集、积累实际使用状态下的数据，才有可能给出较准确的结果。
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，但也容易发生劣化。
非消耗型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范围，国内尚未发现对使用寿命有规定。但是在美国的AMS 2750D中，对热电偶的使用寿命有规定，贵金属的使用寿命为2年，廉金属的使用寿命不超过1年，可见其对热电偶的控制还是比较细的。
3.3 N型热电偶性能评价
N型热电偶两级材料分别为镍铬硅-镍铬，由于在正极中加入了硅，使其性能得到了显著提高，它具有一下特点：
1） 在1300℃一下，高温抗氧化能力强；
2） 热电动势的长期稳定性及短期热循环的复现性好；
3） 耐辐射照能力强，耐低温性能也好；
4） 能有效抵御短程有序结构变化的影响，提高测量精度。
相对于其他型号的廉金属热电偶，N型热电偶有明显的优势，虽然在我国还没有全面推广，但随着对外交流的不断深入，势必会得到迅速推广。在长期使用高温的测温环境下，应尽可能多的使用N型热电偶，有效提升企业高温测量质量，提高热加工竞争力，全面提升军品保障能力。
4、结束语
热电偶是在科研、生产中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。本文针对使用中容易出现的问题，详细探讨了热电偶的插入深度、响应时间、热辐射及热阻抗等产生误差的主要因素，并指出热电偶不均质等使用中应注意的问题。针对这些问题给出改进建议，将热加工一线生产用廉金属热电偶更换为N型热电偶，可以有效提高测量精度，同国际接轨，提升热加工工艺的竞争力。
