1 引言

由于具備測溫范圍廣、精度高、響應快、結構簡(jiǎn)單、成本低等眾多優(yōu)勢，熱電偶被廣泛應用于各行業(yè)中[1]。精que的熱電偶測量，尤其是關(guān)鍵的敏感電路和設備，對電子工程、機械工程等基礎科學(xué)研究和工業(yè)應用領(lǐng)域至關(guān)重要[2]。為了降低測量偏差，熱電偶在使用過(guò)程有很多注意事項，例如正確安裝點(diǎn)、正負極不能接反、需冷端補償、電磁干擾等環(huán)境因素干擾等。本文詳細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，又稱(chēng)地衣熱電效應，它是指由于兩種不同電導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間電壓差的熱電現象。熱電偶是根據塞貝克原理，將兩種不同金屬材料焊接在一起實(shí)現測溫的傳感器[2]。如圖 1 所示，一端焊接在一起（稱(chēng)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(chēng)為冷端）連接到測量?jì)x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、結構簡(jiǎn)單、響應時(shí)間快、成本低的優(yōu)勢，熱電偶被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中。熱電偶主要特點(diǎn)見(jiàn)表1。

4 熱電偶分類(lèi)

熱電偶的分類(lèi)方法很多，比如按分度號、連接點(diǎn)類(lèi)型、外形結構、金屬類(lèi)別等，從不同角度熱電偶都可以分類(lèi)。 

 

4.1 分度號

根據國際上常用標準生產(chǎn)的熱電偶，分度號主要有J /K /T /E/N /R /S /B /G /C /D 等。各分度號正負極的具體合金材料見(jiàn)表2。

極性的標準做法一般分為兩種，如圖2所示：（1）ANSI色標（美國guojia標準學(xué)會(huì )）：將負極標記為紅色；（2）IEC（國際電工委員會(huì )）：將負極標記為白色。

4.2 連接點(diǎn)類(lèi)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)伸出了護套材料，響應時(shí)間在三者中#快。

非接地型：連接點(diǎn)與護套材料電氣隔離，而護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)直接焊接到護套材料上，響應時(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 外形結構

從外形結構上分類(lèi)，主要有裸線(xiàn)熱電偶（即裸露金屬絲）、帶絕緣層線(xiàn)熱電偶、鎧裝熱電偶（金屬護套或陶瓷護套）、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(lèi)別

從熱電偶的金屬護套材料上分類(lèi)，一般分為基金屬熱電偶（也稱(chēng)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

本章節主要從兩個(gè)方面進(jìn)行闡述：一是對熱電偶測量誤差來(lái)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。

 

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

 

對于熱電偶測量誤差來(lái)源，可分為三大類(lèi)：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、安裝不當等。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、對電噪聲感應敏感、需要冷端補償等。 

 

5.1 選型不當

常見(jiàn)為選錯分度號，各廠(chǎng)家不同分度號熱電偶都有各自精度規格。國內標準精度等級與其他guojia是有差異的，選型環(huán)節不能僅局限于一級或是二級精度的表面理解，而是要了解具體的精度誤差值。實(shí)際行業(yè)應用是復雜變化多端的，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)節很關(guān)鍵，根據實(shí)際精度要求正確選型。

 

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

 

5.2 中間連接器、延長(cháng)補償線(xiàn)不匹配

熱電偶是由兩種不同材料的金屬焊接一起實(shí)現測溫的，這是區別熱電阻和熱敏電阻的#大區別，若需要延長(cháng)線(xiàn)，不能用普通銅導線(xiàn)替代。熱電偶、中間連接器、延長(cháng)補償線(xiàn)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(cháng)補償線(xiàn)。

 

在使用延長(cháng)補償線(xiàn)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(cháng)線(xiàn)并非可以無(wú)限延長(cháng)，#大經(jīng)驗阻抗值為100Ω，可以基于這個(gè)值和電阻與線(xiàn)徑的關(guān)系系數值計算出#大允許熱電偶線(xiàn)長(cháng)度。比如同條件下24AWG比20AWG線(xiàn)規（AWG:美國線(xiàn)規）線(xiàn)徑更細，橫截面積的阻值更大，可延長(cháng)的長(cháng)度更短。三是在限制的溫度范圍內使用等。

 

為了消除這個(gè)誤差：一方面在工程師選型時(shí)確認好，另一方面在現場(chǎng)施工時(shí)避免用錯，從而保證熱電偶、中間連接器、延長(cháng)補償線(xiàn)完全一致。 

 

5.3 +、-極接反

在有中間連接器、延長(cháng)線(xiàn)的應用中易出現+、-極性接反的現象，這是一種常見(jiàn)的客戶(hù)應用現場(chǎng)故障。

下面列舉一個(gè)典型案例：一個(gè)做機械成套設備客戶(hù)使用了K型熱電偶、多芯K型熱電偶延長(cháng)線(xiàn)和K型熱電偶面板，300℃以下#大有 30℃ 偏差，300℃ 以上正�！，F場(chǎng)單好驗證 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，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，左邊正負極接反，其中1表示中間連接器，2表示延長(cháng)線(xiàn)。

 

因此，建議用同廠(chǎng)家配套的，同色標顏色一致的，如上述的ANSI色標：紅線(xiàn)是負極，以便接線(xiàn)，每個(gè)中間連接器都需要正對正、負對負。另一方面要求施工人員掌握一定的熱電偶基本知識，或是在專(zhuān)業(yè)工程師指導下完成施工。 5.4 正確安裝點(diǎn)安裝原則為：不管是何種外形結構的熱電偶，測溫點(diǎn)必須與待測點(diǎn)一致[9]。

 

在現場(chǎng)安裝熱電偶時(shí)，要選取正確的安裝位置。設計人員要提前出具安裝圖紙，安裝人員要按圖紙施工，另一方面有必要對安裝人員進(jìn)行培訓，使其掌握一定熱電偶基礎知識。在應用現場(chǎng)，偶爾也碰到客戶(hù)將同一個(gè)熱電偶信號并聯(lián)輸出給兩個(gè)不同的測溫設備，雖然熱電偶也是輸出電壓信號，但它是非常微弱的mV信號，基本都在幾毫伏至幾十毫伏之間。這種誤區可能導致讀數錯誤或信號丟失。常用解決方案有：用雙熱電偶探頭（即探頭內部配置了2套熱電偶，對應輸出2路熱電偶信號），或是用信號放大器轉換為標準伏特V信號、電流4-20mA信號實(shí)現多路輸出。

 

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

 

校準鎧裝熱電偶時(shí)，基于校準溫度點(diǎn)選擇對應校準設備：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(guò)一般計量院對#大和#小插入深度也有要求的。300℃以上是用爐子的，常見(jiàn)有臥式爐和干體爐。探頭是要求插到底的，探頭尖端直接與內部加熱塊接觸，因為即使同一個(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被檢探頭長(cháng)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，也會(huì )增大測量誤差[8,10]。 

 

5.5 響應時(shí)間

熱電偶響應時(shí)間又稱(chēng)熱電偶時(shí)間常數，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，同根熱電偶響應時(shí)間受大氣環(huán)境影響，比如大氣壓力、溫濕度不同，響應時(shí)間也不同。另外被測介質(zhì)（固體、液體、氣體）不一樣，響應時(shí)間也不一致。如上文論述的外露型熱電偶，在要求極快響應時(shí)間的氣體溫度測量時(shí)被廣泛應用。實(shí)際應用中要選擇合適外形結構的熱電偶：鎧裝、表面、外露接點(diǎn)等，盡量減少響應時(shí)間因素導致的測量誤差[2,7]。 

 

5.6 焊接工藝

連接兩根熱電偶線(xiàn)，常用工具為專(zhuān)業(yè)點(diǎn)焊機，焊接工藝好壞也會(huì )直接影響熱電偶測量的準確性，比如焊點(diǎn)過(guò)大（按經(jīng)驗：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用中，在100℃以上誤差很大，后經(jīng)絕緣測試驗證，發(fā)現熱電偶絕緣阻值不達標。鎧裝熱電偶的金屬護套內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為應用故障排除的重要相關(guān)參考指標：

5.8 電磁干擾

電磁干擾無(wú)處不在，在復雜工業(yè)環(huán)境中泵、電機、電磁閥、風(fēng)機等可能會(huì )產(chǎn)生嚴重的電磁干擾，甚至溫度儀表導線(xiàn)可能會(huì )起到天線(xiàn)作用，從而影響了熱電偶測量值的準確性。

 

為了消除或是減弱電磁干擾：一方面布線(xiàn)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，諸如使用屏蔽雙絞線(xiàn)；可靠接地；使用模擬信號放大器，如使用 4-20mA 信號（該信號具備長(cháng)距離傳輸、更強抗噪聲能力）；軟件計算補償；使用數字量信號等。 

 

6 結束語(yǔ)

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、安裝不當的人為因素，還要考慮電磁干擾的環(huán)境因素，更要注意冷端補償的本身屬性。筆者多年從事儀器儀表自動(dòng)化行業(yè)，基于豐富的現場(chǎng)工作經(jīng)驗，撰寫(xiě)此文希望能給從業(yè)工程師們提供一些經(jīng)驗。