熱電偶參比端溫度的處理及誤差

摘要:熱電偶是一種熱電型的溫度傳感器，具有結構簡單、制造容易、測量方便等優點，在溫度測量中得到廣泛地應用。測溫過程中,熱電偶的熱電勢不僅與工作端的溫度有關且與參比端的溫度有關，要使熱電勢所測量溫.度呈單值函數關系,參比端溫度應為零,因此必須對參比端的溫度進行補償,以降低測量誤差。本文就現實中常用的參比端溫度的處理及誤差略加分析。
　　熱電偶是溫度測量中應用最廣泛的溫度器件,熱電偶閉合回路的總電勢EAB=f(t)-f(t0)。因此,只有當參比端溫度t0恒定時，其總電勢才是測量端溫度的單值函數;從另一個角度看,只有在參比端溫度t0已知的前提下測得總電勢EAB才能求得測量端溫度t0因此，必須對參比端溫度加以處理,使之達到恒定、已知。熱電偶分度表中的數值是以t0=0℃,f(0℃)=0為基礎給出的。在熱電偶測溫或檢定中,其熱電勢都要以分度表為準。但實際使用時參比端所處溫度往往不是0℃,其參比端熱電勢并不為零。因此必須補償與參比端熱電勢數值相同的電勢,才能得到測量端的實際熱電勢。我們把這種處理稱為參比端溫度補償。在工業測溫和熱電偶檢定中，參比端溫度處理的方法有多種,本文對現實中常用的幾種略加分析。
1工業測溫中的測溫補償
1.1室溫補償的意義
　　在工業測溫中，熱電偶參比端溫度補償一般由顯示儀表完成，顯示儀表只能根據自身的測溫元件測量室溫,補償一定分度號在室溫的熱電勢。因此這種處理也成為室溫補償。工業測溫現場一般都遠離顯示儀表，而熱電偶又不可能做得很長，所以必須用導線把熱電偶和顯示儀表連接用以傳輸信號。如果用普通銅線，則熱電偶的參比端就在熱電偶的接線盒處，此處的溫度一般都與顯示儀表所處的室溫不同，而顯示儀表只能根據自身所處的室溫進行補償，因此顯示的溫度就必然存在誤差(鉑銠30-鉑銠6除外),這個誤差就等于導線兩端的溫度差。若使用在一定范圍內與熱電偶有相同熱電性能的補償導線，就相當于把熱電偶延伸到顯示儀表的接線端子處，即將熱電偶的參比端從接線盒處移到顯示儀表的接線端子處，以獲得正確的室溫補償。
1.2補償導線的連接
1.2.1接線正確時
　　補償導線若無差錯，則可看成是熱電偶絲的延伸，顯然不會引起附加誤差,但這只是理想狀態。.若考慮補償導線的誤差，可按圖1分析:
 
　　假設在補償導線和熱電偶絲之間接入一段純鉑絲并使其兩端均在溫度t1下(根據中間金屬材料定律,總電勢不變)，則在此處形成了四對熱電偶，其熱電勢分別為E11、E12、E13、E14。
　　設熱電偶測量端熱電勢為E,理想參比端(t0)熱電勢為E0，總輸出熱電勢為EAB,熱電偶實際參比端(的熱電勢為E,補償導線在溫度t1的熱電勢為E'1補償導線在溫度t0的熱電勢為E'0，補償導線在溫度t1、t0的誤差分別為△1、△0則有:
 
　　可以看出,式(2)等號右邊前兩項是理論輸出值，后兩項是補償導線引起的誤差。因此導線在溫度t1.t0的誤差是相減的,所以若兩者的符號相同且數值接近，則引起的附加誤差較小;若二者的符號不同，則引起的附加誤差較大。
1.2.2接線不正確時
　　在補償導線極性接反的情況下，圖1中的E12、E14、和E0,的符號反過來,于是式(1)變成:
 
　　比較式(5)和式(2)可以看出，由補償導線極性接反引起的附加誤差是2(E0'-E0'1)左右，即補償導線兩端溫度差值的兩倍左右，也可以說是使用普通銅線時誤差的兩倍左右。例如，接線盒處溫度為10℃,顯示儀表在20℃的室內,溫度差10℃,那么顯示溫度就比實際溫度高20℃左右;若顯示儀表所處的室溫比接線盒溫度低10℃，那么顯示溫度就比實際溫度低20℃左右。這種誤差是隨著環境溫度和參比端溫度的變化而變化的。
2熱電偶自動檢定系統中的參比端溫度處理
2.1冰點法
　　檢定熱電偶傳統的方法是冰點法，即將熱電偶的參比端接測試連接線后置于冰點槽(0℃)中進行測量。這種方法不需參比端溫度補償，其測量誤差是冰點槽中的溫場不均勻引起的，一般不超過0.1℃,是容易做到的。
2.2補償導線法
　　在用自動檢定系統檢定熱電偶時，有時需要在熱電偶的參比端接一段補償導線，然后將補償導線的另一端接測試連線并置于冰點槽中，這實際上是將被檢熱電偶的參比端移至冰點槽中。如1.2.1所述，由此帶來的誤差是補償導線在其兩端所處溫度的誤差的差值,亦即補償導線在其室溫下的誤差。雖然可選用精度高的補償導線并測得其在某一溫度的實際誤差，對測量結果加以修正,但因室溫是變化的，所以其修正值并非完全適合,所以還會存在誤差。檢定規程JJC351-96中規定,補償導線可以用于二級廉金屬熱電偶的檢:定,是由于其精度不高，上述誤差對檢定結果的影響相對較小。一級熱電偶則不能用補償導線法檢定。
2..3鉑熱電偶補償法
　　另一種方法是將一個參比端溫度補償器一鉑熱電阻置于被檢熱電偶的參比端處，用以測量此處的溫度,然后在測量系統中通過計算得出參比端熱電勢,在測量數據中加以補償。
　　理想狀態下,這種方法是沒有問題的,但實際，上它存在一系列產生誤差的因素，以下稍加分析。
2.3.1分度表
　　自動檢定裝置的軟件中，是按某一分度表來計算鉑熱電阻的溫度的，然而用作溫度補償器的鉑熱電阻測溫元件的R(0℃)和a值總存在一定的偏差,即使精心挑選也在所難免。這就勢必對檢定結果帶來一定的附加誤差。
2.3.2自熱影響
　　鉑熱電阻測溫時要通過一定的工作電流，這就會使它自身發熱而溫度升高，而溫度升高又使它的電阻值增大，直到其自身發熱和向周圍散熱達到平衡為止。.這就是自熱溫升現象。由于自熱影響,鉑熱電阻反應的溫度與所處的室溫有一定的偏差。因此,即使熱電偶參比端的溫度等于室溫，根據鉑熱電阻測得的溫度進行補償，也會對檢定結果帶來一定的附加誤差。另外,雖然鉑熱電阻的工作電流是恒定的,但鉑熱電阻的體積、材料、結構等不盡相同,所以不同的鉑熱電阻自熱影響不同。因此,自熱影響常來的誤差很難在自動檢定系統的軟件中加以修正。
2.3.3熱響應時間的影響
　　因為鉑熱電阻測溫元件與熱電偶參比端的熱響應時間不同,所以即使將他們放得十分接近,它們也難以對環境的變化作出同步反應。而自動檢定系統卻只是根據標準熱電偶的電勢來判斷是否達到檢定的恒溫要求。這就使檢定時鉑熱電阻測得的溫度不等于熱電偶參比端的溫度。在這種情況下依據鉑熱電阻測得的溫度進行參比端溫度補償,也會帶來一定的動態誤差。
2.3.4熱傳導影響
　　在檢定時,熱電偶測量端溫度較高，因此必然影響參比端傳熱,使參比端溫度升高，尤其是鎧裝熱電偶或較短的熱電偶，這種現象更為嚴重。這就使熱電偶的參比溫度高于環境溫度。即使將鉑熱電阻和熱電偶的參比端綁扎在一起,這種熱傳導也存在溫度梯度。這也是鉑熱電阻不能真正反應熱電偶的參比溫度，從而使溫度補償時產生附加誤差的一個因素。
3結束語
　　綜上所述，熱電偶參比端的溫度的處理是一個比較復雜的問題。要保證熱電偶測溫或檢定的正確性,必須注意:
(1)將熱電偶的參比端置于冰點槽(0℃)中，即冰點法,是最正確、最可靠的方法;
(2)選用正確率度高的補償導線;
(3)正確接線,即補償導線和熱電偶的正負極相對應;
(4)自動檢定系統中采用室溫補償法(不管采用補償導線還是熱電阻),將會給檢定結果帶來一定的附加誤差，其大小取決于多種因素。若由此引起爭議，應以冰點的檢定結果為準。