热电偶的测温原理及误差分析(1)

热电偶的测温原理及误差分析

陆建东

（宁夏电建公司，银川市７５０００１）

摘要：温度是一个重要的物理量，许多物理现象和化学性质都与温度有关，许多生产过程均在一定温度

范围内进行，所以在国民经济各个领域中，必然会遇到有温度测量的问题。而热电偶具有结构简单，制造容易，测量方便等优点，在温度测量中得到广泛地应用。它基于物体的热电效应，将温度信号转换成电压信号进行传递，这种测温方式不仅可以远距离传递，而且能够集中检测和控制。但要得到正确的测量结果，必须认识热电偶的性能和使用方法，否则将会带来很大的误差。关键词：

热电偶；

热电效应；

测温原理；文献标志码：

误差分析

中图分类号：ＴＫ３１１

Ｂ文章编号：１６７２－３６４３（２００７）ｚｋ２－００７６－０６

Ｔｈｅｒｍｏｊｕｎｃｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｅｒｒｏｒａｎａｌｙｓｉｓ

ＬＵＪｉａｎ－ｄｏｎｇ

（ＮｉｎｇｘｉａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｙｉｎｃｈｕａｎ７５０００１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｐｈｙｓｉｃａｌｑｕａｎｔｉｔｙ．Ｍａｎｙｐｈｙｓｉｃａｌｐｈｅｎｏｍｅｎａａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｑｕａｌｉｔｉｅｓｈａｖｅ

ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｌｏｔｓｏｆｐｒｏｄｕｃｅｐｒｏｃｅｓｓｓｈｏｕｌｄｂｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅｉｎｅｖｅｒｙｆｉｅｌｄｏｆｎａｔｉｏｎａｌｅｃｏｎｏｍｙ，ｔｈｅｒｅｍｕｓｔｂｅｔｈｅｔｈｅｒｍｏｍｅｔｒｉｃｍａｔｔｅｒ．Ｔｈｅｍｏｊｕｎｃｔｉｏｎｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｄｕｅｔｏｓｏｍｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｓｕｃｈａｓｅａｓｙｔｏｂｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ，ｍａｄｅａｎｄｍｅａｓｕｒｅｄ．Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｏｂｊｅｃｔ＇ｓｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｅｆｆｅｃｔ，ｔｈｅｒｍｏｊｕｎｃｔｉｏｎｃｈａｎｇｅｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｉｇｎａｌｉｎｔｏｖｏｌｔａｇｅｓｉｇｎａｌｔｏｇｏｏｎｄｅｌｉｖｅｒｙ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｃａｎｎｏｔｏｎｌｙｄｅｌｉｖｅｒｙｉｎａｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅ；ｂｕｓｔａｌｓｏｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄｃｈｅｃｋａｎｄｃｏｎｔｒｏｌ．Ａｎｄｋｎｏｗｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｃｏｒｒｅｃｔｕｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｒｍｏｊｕｎｃｔｉｏｎｃａｎｇｅｔｅｘａｃｔｍｅａｓｕｒｉｎｇｒｅｓｕｌｔ，ｏｔｈｅｒｗｉｓｅｉｓａｂｉｇｅｒｒｏｒ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｒｍｏｊｕｎｃｔｉｏｎ；ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｅｆｆｅｃｔ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ｅｒｒｏｒａｎａｌｙｓｉｓ

１前言

热电偶是一种热电型的温度传感器，它将温度信号转

介质的影响，高温区的复现性和稳定性很好。

（３）由于测温显示电信号，便于信号的远传和记录，也有利于集中检测和控制。

（４）热电偶体积小，热容量及热惯性均小。能用来测量点的温度和壁面温度，也能用来进行动态温度测量。

换成电势（ｍＶ）信号，配以测量信号的仪表或变换器，便可以实现温度的测量和温度信号的转换。热电偶温度计在测温领域应用非常广泛。热电偶温度计具有明显的优点：

（１）热电偶通常是由２种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，结构简单，制造方便，使用起来非常方便。

（２）测温精确度较高，直接与被测对象接触，不受中间

２

２．１

热电偶测温基本原理

热电效应

热电偶测量温度的基本原理是热电效应。将Ａ和Ｂ两

收稿日期：作者简介：

２００７－０７－２１

陆建东（１９７３－），男，工程师，从事热工自动化工作。

・７６

种不同的导体首尾相连组成闭合回路，如果两连接点温度（Ｔ，Ｔ０）不同，则在回路中就会产生热电动势ＥＡ（），形成Ｂｔ，ｔ０热电流，这就是热电效应。热电偶就是将Ａ和Ｂ两种不同的金属材料一端焊接而成。Ａ和Ｂ称为热电极，焊接的一端是接触热场的Ｔ端称为工作端或测量端，也称热端；未焊接的一端（接引线）处在温度Ｔ０称为自由端或参考端，也称冷端。Ｔ与Ｔ０的温差愈大，热电偶的输出热电动势愈大；温差为０时，热电偶的输出电动势为０ｍＶ；因此，可以用测热电动势大小衡量温度的大小。国际上，将热电偶的Ａ、Ｂ热电极材料不同分成若干分度号，如常用的Ｋ（镍铬－镍硅或镍铝）、（镍铬－康铜）、（铜－康铜）等等，并且有相应的分度ＥＴ表，即参考端温度为０℃时的测量端温度与热电动势的对应关系表；可以通过测量热电偶输出的热电动势值再查分度表得到相应的温度值。

图３

Ａ

ＴＴ０

Ｂ

两种导体构成的热电偶回路

这样两端就形正电位，而低温端由于得到电子处于负电位。成了电位差，称为温差电动势。

）＝ＫＥ（ＡＴ，Ｔ０

! １ｄ［Ｎ（! ）Ｔ］

Ｔ０

Ａ

Ａ

Ｔ

对于有Ａ、Ｂ两种导体构成的闭合回路，在Ａ、Ｂ两种导体上产生温差，温差电动势之和为：

）－Ｅ（）＝Ｋ｛Ｅ（ＡＴ，Ｔ０ＢＴ，Ｔ０

ＴＴ０

! （１）ｄ［Ｎ（! ）Ｔ］－

Ｔ０

Ａ

Ａ

Ｂ

Ｂ

Ｔ

! （１）ｄ［Ｎ（! ）Ｔ］｝

综上所述，在整个闭合回路中产生的总电动势ＥＡ（ＢＴ，

Ｔ０）可表示为：

图１

温差热电效

Ａ

ｔ

Ｂ

ｔ０ｔ

Ｂ图２

Ａ

ｔ０ｔＢ热电效应

Ａ

ｔ０

Ｂ

Ｂ

）＝ＥＡ（）－ＥＡ（）－Ｅ（）＋Ｅ（）ＥＡ（ＢＴ，Ｔ０ＢＴＢＴ０ＡＴ，Ｔ０ＢＴ，Ｔ０

））ＡＴＡＴ０

＝Ｋ［ＴｌｎＮ（－Ｔ０ｌｎＮ（］－

ＢＢ０

Ｋ｛

! ｄ［Ｎ（! ）Ｔ］－! １ｄ［Ｎ（! ）Ｔ］｝

１

Ｔ０

Ａ

Ａ

Ｔ０

Ｂ

Ｂ

ＴＴ

２．２两种导体的接触电动势

两种导体接触的时候，由于导体内的自由电子密度不

由上式可知，热电偶总电动势与电子密度ＮＡ、ＮＢ及两节点温度Ｔ、Ｔ０有关，电子密度取决于热电偶材料的特性。当热电偶材料一定时，热电偶的总电动势ＥＡ（）成为温ＢＴ，Ｔ０度Ｔ和Ｔ０的函数差，即：

）＝（（Ｔ）ＥＡ（ｆ" ）－Ｃ＝" ＢＴ，Ｔ０）＝（ＥＡ（ｆＴ）－（ｆＴ０）ＢＴ，Ｔ０

同，如果ＮＡ＞ＮＢ，电子密度大的导体Ａ中的电子就向电子密度小的导体Ｂ扩散，从而由于导体Ａ失去了电子而具有正电位。相反导体Ｂ由于接收到了扩散来的电子而具有负电位。这样在扩散达到动态平衡时Ａ、Ｂ之间就形成了一个电位差。这个电位差称为接触电动势。计算公示如下：）ＡＴ）＝ＫＴｌｎＮ（ＥＡ（ＢＴ

Ｂ

式中：ＥＡ（）—Ａ、Ｂ两种材料在温度为Ｔ时的接触电动势；ＢＴ

（１．３８×Ｋ—玻耳兹曼常数１０）；

－６

２．４温度与热电动势的计算

热电偶的温差电动势与两端接头温度之间的关系比较

复杂，但是在较小温差范围内可以近似认为温差电动势（ｔ，ｔ０）与温度差（ｔ－ｔ０）成正比，即热电势的大小与ｔ和ｔ０ＥＡＢ

之差的大小有关，当热电偶的两个热电极材料已知时，测量温度的高低可以由热电偶回路中两端的热电势差计算得出。

）＝ＥＡ（（）ＥＡ（Ｂｔ，ｔ０Ｂｔ）－ＥＡＢｔ０

式中：ＥＡ（）—热电偶的热电势；Ｂｔ，ｔ０

（１．６０２１８９２×ｅ—电子电荷１０）；

－１９

）、）—Ａ、Ｎ（Ｎ（Ｂ两种材料在温度Ｔ时的自由电ＡＴＢＴ子密度。

）ＡＴ０

）＝ＫＴ０ｌｎＮ（ＥＡ（ＢＴ０

Ｂ０回路中总的接触电势为：

））ＡＴＡＴ０

）－ＥＡ（）＝Ｋ［ＴｌｎＮ（ＥＡ（－Ｔ０ｌｎＮ（］ＢＴＢＴ０

ＢＢ０

ＥＡ（Ｂｔ）—温度为ｔ时测量端的热电势；

测量（热）节点

参考（冷）节点

２．３单一导体中的温差电动势

对单一金属导体，如果两端的温度不同，则两端的自由

ｔ（ｔ）ＥＡＢ

图４

温度与热电势的转换

＋

ｔ０

（ｔ，ｔ０）ＥＡＢ（ｔ０）ＥＡＢ

电子就具有不同的动能。温度高则动能大，动能大的自由电子就会向温度低的一段扩散。失去了电子的这一端就处于

－

７７・

）—温度为ｔ０时冷端的热电势；ＥＡ（Ｂｔ０

从上式可看出当测量端的被测介质温度发生变化（ｔ，ｔ０）时，热电势随之发生变化，因此，只要测出ＥＡＢ

和知道ＥＡＢ（ｔ０）就可得到ＥＡＢ（ｔ），将热电势送入显示仪表进行指示或记录，或送入微机进行处理，即可获得测量端温度ｔ值。

Ａ

Ｃ

Ｂ

Ｔ０

Ｔ０

Ｔ０

ＣＡＢ

２．５热电偶的几个重要定律

要真正了解热电偶的应用就必须要掌握热电偶回路的

Ｔ图６

ＴＴ

三种导体分别组成的热电偶

几条重要定律。２．５．４连接导体定律

在热电偶回路中，如果热电偶的电极材料Ａ和Ｂ分别

２．５．１均质材料定律

由一种均质材料组成的闭合回路，不论材料长度、方

与连接导线Ａ１和Ｂ１相连接，各有关接点温度为ｔ，ｔｎ和ｔ０，那么回路的总热电势等于热电偶两端处于ｔ和ｔｎ温度条件下的热电势ＥＡ（）与连接导线Ａ１和Ｂ１两端处于ｔｎ和ｔ０Ｂｔ，ｔｎ温度条件的热电势ＥＡ１Ｂ（）的代数和。１ｔｎ，ｔ０

向、各处温度如何分布，回路中均不产生热电势。这条规律要求组成热电偶的两种材料必须各自都是均质的，否则会由于沿热电偶长度方向存在温度梯度而产生附加电势，从而因热电偶材料不均引入误差。

２．６２．６．１

热电偶的种类及结构热电偶的种类

２．５．２中间导体定律

在热电偶回路中插入第三种（或多种）均质材料，只要

理论上讲，凡是不同的金属材料均可组成热电偶，但在实际中并非如此。首先是热电极材料的要求，一般要求物理化学性质稳定，电阻温度系数小，机械性能好，所组成的热电偶灵敏度高，复现性好，而且希望热电势与温度之间的函数关系能呈线性关系。目前，被选做热电偶电极的材料已有许多种，由于不同材料具有不同的特性，所组成的热电偶在不同温度范围内所表现出的性能有较大差异。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有

所插入的材料两端连接点温度相同，则所插入的第三种材料不影响原回路的热电势。这条定律表明在热电偶回路中可拉入测量热电势的仪表，只要仪表处于稳定的环境温度即可，同时还表明热电偶的接点不仅可经焊接而成，也可以借用均质等温的导体加以连接。

Ｔ

Ａ

Ｂ统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化的热电偶，

我国从１９８８年１月１日起，热电偶就按

Ｔ０

图５

Ｃ热电效应

Ｔ０

ＩＥＣ国际标准生产，并指定Ｓ、Ｂ、Ｅ、Ｋ、Ｒ、Ｊ、Ｔ七种标准化热

电偶为我国统一设计型热电偶。

２．６．２热电偶的结构形式

２．５．３中间温度定律

两种不同材料组成的热电偶回路，其接点温度分别为ｔ

为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：

①组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；②两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；③补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；④保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

（１）常用热电偶及特性（Ｓ型）①铂铑－铂热电偶

铂铑－铂热电偶正极为铂铑合金丝（铂９０％，铑１０％），负极为纯铂丝，其物理化学性能稳定，测量精度高，常用于精密温度测量和作为基准温度计使用。可用于中、高温区的温度测量，通常使用范围为３００℃￣１３００℃，短期可达

和ｔ０时的热电势ＥＡ（）等于该热电偶在接点温度为Ｔ、ＴａＢｔ，ｔ０和Ｔａ、Ｔ０时热电动势的代数和，即

）＝ＥＡ（）＋ＥＡ（）ＥＡ（ＢＴ，Ｔ０ＢＴ，ＴａＢＴａ，Ｔ０两端点在任意温度时的热电势为：）＝ＥＡ（）－ＥＡ（）ＥＡ（Ｂｔ，ｔａＢｔ，ｔ０Ｂｔａ，ｔ０

所以图６所示两种导体Ａ、Ｂ分别与第三种导体Ｃ组那么成热电偶．如果Ａ、Ｃ和Ｂ、Ｃ热电偶的热电动势已知、这两种导体Ａ、Ｂ组成的热电偶产生的电动势就可以用下面的公式求得。

）＝ＥＡ（）－ＥＢ（）ＥＡ（ＢＴ，Ｔ０ＣＴ，Ｔ０ＣＴ，Ｔ０

１６００℃。

・７８

（ＥＵ型）②镍铬－镍硅热电偶

镍铬－镍硅热电偶以镍铬为正极，镍硅为负极，其化学（室温下℃变化），成本低，价格低廉，性能很稳定，灵敏度高

非常适合于中高温的测量，常用工作范围１００℃￣１０００℃，短期可达１３００℃。镍铬合金名义组份是９０％镍和１０％铬及少量硅等，镍硅合金名义组份为９７％镍和３％硅及少量钴等。

（Ｔ０型）③铜－康铜热电偶

铜－康铜热电偶属于廉金属热电偶，其正极为纯铜（ＴＰ），负极为康铜（铜镍）合金（ＴＮ）。在低温状态普遍应用的一种热电偶，测温范围－２００℃￣３００℃，热电极丝的均匀性好，稳定性高，灵敏度好，价格低廉，分度号为铠装型热电偶是将热电极丝装在有绝缘材料的金属套管中，经组合加工成可弯曲的坚实的组合体，再依所需长度截断，对其测量端和参考端进行加工即制成铠装型热电偶。该种热电偶可以做得很细很长，在使用中可随测量需要而弯曲。其测温范围宽，响应速度快，热接点处的热容量小，使用寿命长。同时其机械强度高，耐压性能高，适应性广，绕性大，安装使用方便，应用极其广泛。铜丝具有高纯度（９９．９９９％以上），康铜的成分是６０％铜和４０％镍。

（Ｅ型）④镍铬－康铜热电偶

镍铬－康铜热电偶以镍铬为正极，康铜为负极，综合了镍铬－镍硅热电偶和铜－康铜热电偶的一些优点，它的最大优点是灵敏度高，长期使用温度６００℃，短期使用温度

电偶参比端不等于０℃时，需对仪表的示值加以修正，因为热电偶的温度－热电动势关系以及分度表是在参比端为

０℃得到的。修正公式如下：

（Ｔ，０℃）＝Ｅ（Ｔ，ｔ０）＋Ｅ（ｔ０，０℃）Ｅ

３

３．１３．１．１

热电偶测温误差分析

影响热电偶测温的因素玷污与应力影响

热电偶在生产过程中，偶丝经过多道缩径拉伸在其表面总是受玷污的，同时，从偶丝的内部结构来看，不可避免地存在应力及晶格的不均匀性。因淬火或冷加工引入的应力，退火不合格所造成的误差，可达十分之几度到几度。它与待测温度及热电偶电极上的温度梯度大小有关。

３．１．２不均匀性影响

一般来说热电偶若是由均质导体制成的，则其热电势只与两端的温度有关，若热电极材料不是均匀的，且热电极又处于温度梯度场中，则热电偶会产生一个附加热电势，即“不均匀电势”。其大小取决于沿热电极长度的温度梯度分布状态，材料的不均匀形式和不均匀程度，以及热电极在温度场所处的位置。造成热电极不均匀的主要原因有：在化学成分方面如杂质分布不均匀，成分的偏析，热电极表面局部的金属挥发，氧化或某金属元素选择氧化，测量端在高温下的热扩散，以及热电偶在有害气氛中受到玷污和腐蚀等。在物理状态方面有应力分布不均匀和电极结构不均匀等，在工业使用中，有时不均匀电势引起的附加误差竟达３０℃，这将严重地影响热电偶的稳定性和互换性。对于新制的热电偶，即使是不均质，热电动势能满足

８００℃，最大的特点是热电动势率最大，即灵敏度最高，但

极易被氧化。

（２）常用热电偶热电势与温度变化的关系（见表１）

表１材料名称（Ｓ型）铂铑－铂镍铬－镍硅（ＥＵ型）镍铬－康铜（Ｔｏ型）镍铬－康铜（Ｅ）

使用温度

范围（℃）

热电势（ｍＶ／１００℃）

极性

要求，但是反复加工，弯曲致使热电偶产生加工畸变。也将失去均质性，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，例如：插入工业高温部位中的热电偶，将沿偶丝长度方向发生劣化，并伴随温度增高，劣化增强，当局部劣化的部分处于具有温度梯度的场所也将产生寄生电动势，叠加在总热电动势中而出现测量误差。

－２０￣１３００－５０￣９００－２０￣４００－２０￣４００

０．６４４．１０６．９５６．９５

＋＋＋＋

２．６．３热电偶冷端的温度补偿

由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度ｔ０≠０℃时对测温的影响，而且在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过１００℃。当热

３．１．３热电偶不稳定性影响

不稳定性就是指热电偶的分度值随使用时间和使用条件的不同而起的变化。在大多数情况下，它可能是不准确性的主要原因。影响不稳定性的因素有：玷污，热电极在高温下挥发，氧化和还原，脆化，辐射等。

３．１．４传热及热电偶安装影响

由于热电偶测温是属于接触式测量，当热电偶插入被测介质时，它要从被测介质吸收热量使自身温度升高，同时又以热辐射方式和热传导方式向温度低的地方散发热量，当测量端向外散失的热量等于自气流中吸收的热量时即达到动态平

７９・

表２

影响因素

铠装热电偶的直径中间部位的加热温度中间部位的加热带长度中间部位的加热带位置绝缘电阻热电偶丝电阻

直径越细，越容易产生误差。

中间部位的加热温度超过６００℃，容易产生分流误差。中间部位加热长度越长，越容易产生分流误差。

条件

中间部位加热带的位置距测量端越远，越容易产生分流误差。绝缘电阻越低，越容易产生分流误差。

①Ｋ型与Ｓ型相比，Ｋ型热电偶丝电阻比Ｓ型电阻大，故更容易产生分流误差。

②外径相同的铠装热电偶，热电偶丝越细，越容易产生分流误差。

衡，此时热电偶达到了稳定的示值，但并不代表真实温度，因为测量端环境散失的热量是由环境温度来补偿，测量端与环境的传热愈强，测量端的温度偏离真实温度就愈大。

往是变化的，测温仪表所测得的温度值就会产生很大误差。

３．２３．２．１

各种影响误差因素的解决方式热电势补正法

３．１．５导热误差影响由中间温度定律可知，参考端温度为ｔｎ时的热电势为：）＝ＥＡ（）－ＥＡ（）ＥＡ（Ｂｔ，ｔｎＢｔ，ｔ０Ｂｔｎ，ｔ０

所以只要用热电偶测出参比端的温度ｔｎ，然后从对应电偶的分度表中查出对应温度下的热电势Ｅ（ｔｎ，ｔ０），再将这个热电势与所实测的Ｅ（ｔ，ｔｎ）代数相加，得出的结果就是热电偶参比端温度为０度时对应的测量端的温度为ｔ时的热（ｔ，ｔ０），最后再从分度表中查得对应于Ｅ（ｔ，０）的温电势Ｅ

度，这个温度就是热电偶测量端的实际温度ｔ０。在计算机应用日益广泛的今天，可以利用软件处理方法，特别是在多点测量系统或高温测控中，采用这种方法，可很好的解决参比端温度的变化问题，只要随时准确的测出ｔｎ，就可以准确得到测量端温度，同时还充分应用了对应热电偶的分度表对非线性误差得到了校正，而且适应各种热电偶。

在测量高温场所的温度时，由于沿热电偶长度存在温度梯度，故测量端必然会沿热电极导热，使得指示温度偏离实际温度。

３．１．６测量系统漏电分流影响

绝缘不良是产生电流泄漏的主要原因，它对热电偶的准确度有很大的影响，能歪曲被测的热电势，使仪表显示失真，甚至不能正常工作。漏电引起误差是多方面的，例如，热若电测设电极绝缘瓷管的绝缘电阻较差，使得热电流旁路。备漏电，也能使工作电流旁路，使测量产生误差。

分流误差即用铠装热电偶测温，当热电偶中间部位的温度超过６００℃时其绝缘电阻就下降，热电偶示值出现异常的现象，称为分流误差。依据均质回路定则，热电偶只与测量端两断温度有关，与中间温度分布无关，可是由于铠装热电偶的绝缘物是粉末状石英沙，温度每升高１００℃其绝缘电阻下降一个数量级，当中间部位温度较高时，必定有漏电流产生，致使在热电偶输出电势中有分流误差出现，导致热电偶测量出现误差。分流误差的产生条件与铠装热电偶种类和直径等因素有关，铠装热电偶产生分流误差具体的条件如表２。

３．２．２调仪表起始点法

）对应于热电势，如果在测量由于仪表示值是ＥＡ（Ｂｔｎ，ｔ０

线路开路的情况下，将仪表的指针零位调定到ｔｎ处，就等于事先给仪表加了一个电势ＥＡ（），当用闭合测量线路进Ｂｔｎ，ｔ０（ｔｎ，ｔ０）就与ＥＡＢ（ｔ，ｔｎ）行测温时，由热电偶输入的热电势ＥＡＢ

叠加，其和正好等于ＥＡ（）。因此对直读式仪表采用调仪Ｂｔ，ｔ０表起始点的方法十分简便。

３．１．７动态响应误差影响３．２．３补偿导线法

热电偶插入被测介质后，由于本身具有热惰性，因此不能立即指示出被测介质的温度，只有当测量端吸、放热达到动态平衡后才达到稳定的示值。在热电偶插入后到示值稳定之前的整个不稳定过程中，热电偶的瞬时示值与稳定后的示值存在着偏差，这时热电偶除了有各种稳定的误差外，还存在由热电偶热惰性引入的偏差，即动态响应误差。

补偿导线法是采用补偿导线把热电偶的参考端延长到温度较恒定的地方，再进行修正。此时参考端己变为一个温度不变或变化很小的新参考端，此时的热电偶产生热电势已不受原参考端温度变化影响，ＥＡ（Ｔ１０）是新参考端温度ＢＴ、），且Ｔ１０为一常数时所测得热电势，ＴＡ（Ｔ１０（不等于０℃ＢＴ、

Ｔ１０）是参考端温度Ｔ０＝０℃时，工作端为Ｔ１０时所测得热电势

（热电偶分度表中可查出）。从本质上来说它并不能消除参考端温度不为０℃时的影响，因此，还应该与其它修正方法结合才能将补偿导线与仪表连接处的温度修正到０℃。使用补偿导线时，不仅应注意补偿导线的极性，还应特别注意不要错用补偿导线，同时应注意补偿导线与热电偶连接处

３．１．８参考端温度影响

热电偶的热电动势的大小与热电极材料以及工作端的温度有关。热电偶的分度表和根据分度表刻度的温度显示仪表都是以热电偶参考端温度等于０℃为条件的。在实际使用热电偶时，其冷端温度（参考端）不但不为０℃，而且往

・８０

的两端温度保持相等，且温度在０℃￣１００℃（或０℃￣１５０℃）之间，否则要产生测量误差。

表３

补偿导配用热电偶的线型号

分度号（铂铑１０－铂）Ｓ

（镍铬－镍硅）Ｋ

（镍铬－镍硅）Ｋ

（镍铬－铜镍）Ｅ

（铁－铜镍）Ｊ

（铜－铜镍）Ｔ

补偿导线分度号表补偿导线合金丝正极（铜）ＳＰＣ（铜）ＫＰＣ（镍铬）ＫＰＸ（镍铬）ＥＰＸ（铁）ＪＰＸ（铜）ＴＰＸ

负极（铜镍）ＳＮＣ（铜镍）ＫＮＣ（镍硅）ＫＮＣ（铜镍）ＥＮＸ（铜镍）ＪＮＸ（铜镍）ＴＰＸ

补偿导线颜色正极红红红红红红

负极绿蓝黑棕紫白

图７

Ａ

ｒ１

ｒ０

ｒ１

ｒ３

ｒ２

－

Ｅｘ

＋

ａ＋－ｂ

Ｂ

ＳＣＫＣＫＸＥＸＪＸＴＸ

－直流＋

ＪＶ

电桥补偿导测量电路

４结束语

通过对热电偶度测温方法及误差来源的分析，对热电

３．２．４参考端温度补偿器

补偿器是一个不平衡电桥，电桥的３个桥臂电阻是电阻温度系数很小的锰铜丝绕制的。其阻值基本上不随温度变化而变化，并使Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝１Ω。另一个桥臂电阻Ｒｔ是由电阻温度系数较大的铜绕制而成，并使其在２０℃时

偶测温元件的测温原理和引起误差的因素有了系统认识，得出结论：热电偶的不稳定性、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元件制造过程或是测量系统及仪器本身存在的误差，还有一些误差则是人为造成的，对这些引起测温误差的因素只要我们细心，并对热电偶测温元件的特性有一定的了解就可以避免。

Ｒｔ＝Ｒ１＝１Ω，此时电桥平衡，没有电压输出，当电桥所处温

度发生变化时，Ｒｔ的阻值也随之改变，于是就有不平衡电压输出，此输出电压用来抵消参考端温度变化所产生的热电势误差，从而获得补偿。（注：我国也有以０℃作为平衡点温度的）当温度达到４０℃（即计算点温度）时桥路的输出电压恰好补偿了热电偶参比端温度偏离平衡点温度而产生的热电势变化量。对电子电位差计，其测量桥路本身就具有温度自动补偿的功能，使用时无需再调整仪表的温度起始点。除了平衡点和计算点外，在其他各参比端温度值时只能得到近似的补偿，因此采用冷端补偿器作为参比端温度的处理方法会带来一定的附加误差。（上接第７５页）

参考文献：

［１］

工业自动化仪表手册编辑委员会．工业自动化仪表手册．北京：机械工业出版社，１９８８．

［２］

能源部西安热工研究所．热工技术手册．北京：水利电力出版社，１９９２．

［３］

王家祯．自动化仪表设计基础．北京：中国电力出版社，１９９５．

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子点火系统设计合理，运行操作简单，运行可靠，控制逻辑合理，保护可靠。在机组试运期间投入等离子煤粉点火系统，电除尘器可以在锅炉启动及低负荷期间正常投入，大大减少粉尘的排放，避免了环境污染，给电厂带来显著的社会效益和经济效益。采用等离子技术点燃煤粉锅炉经济、高效、简单、安全、环保，有百利而无一害，当然是燃煤锅炉的首选设备，是目前燃油系统改造的最佳替代产品，电厂可以

［２］

单一燃料运行，简化了系统和运行方式，是一项值得推广的新技术，在工业生产领域中有着广阔的发展前景。

参考文献：

［１］

ＤＬＺ－２００型等离子点火装置使用维护说明．烟台龙源电力技术有限公司．２００６年８月．

３３０ＭＷ锅炉原理说明书．武汉锅炉厂．２００４年３月．

８１・

热电偶的测温原理及误差分析

陆建东

（宁夏电建公司，银川市７５０００１）

摘要：温度是一个重要的物理量，许多物理现象和化学性质都与温度有关，许多生产过程均在一定温度

范围内进行，所以在国民经济各个领域中，必然会遇到有温度测量的问题。而热电偶具有结构简单，制造容易，测量方便等优点，在温度测量中得到广泛地应用。它基于物体的热电效应，将温度信号转换成电压信号进行传递，这种测温方式不仅可以远距离传递，而且能够集中检测和控制。但要得到正确的测量结果，必须认识热电偶的性能和使用方法，否则将会带来很大的误差。关键词：

热电偶；

热电效应；

测温原理；文献标志码：

误差分析

中图分类号：ＴＫ３１１

Ｂ文章编号：１６７２－３６４３（２００７）ｚｋ２－００７６－０６

Ｔｈｅｒｍｏｊｕｎｃｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｅｒｒｏｒａｎａｌｙｓｉｓ

ＬＵＪｉａｎ－ｄｏｎｇ

（ＮｉｎｇｘｉａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｙｉｎｃｈｕａｎ７５０００１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｐｈｙｓｉｃａｌｑｕａｎｔｉｔｙ．Ｍａｎｙｐｈｙｓｉｃａｌｐｈｅｎｏｍｅｎａａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｑｕａｌｉｔｉｅｓｈａｖｅ

ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｌｏｔｓｏｆｐｒｏｄｕｃｅｐｒｏｃｅｓｓｓｈｏｕｌｄｂｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅｉｎｅｖｅｒｙｆｉｅｌｄｏｆｎａｔｉｏｎａｌｅｃｏｎｏｍｙ，ｔｈｅｒｅｍｕｓｔｂｅｔｈｅｔｈｅｒｍｏｍｅｔｒｉｃｍａｔｔｅｒ．Ｔｈｅｍｏｊｕｎｃｔｉｏｎｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｄｕｅｔｏｓｏｍｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｓｕｃｈａｓｅａｓｙｔｏｂｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ，ｍａｄｅａｎｄｍｅａｓｕｒｅｄ．Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｏｂｊｅｃｔ＇ｓｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｅｆｆｅｃｔ，ｔｈｅｒｍｏｊｕｎｃｔｉｏｎｃｈａｎｇｅｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｉｇｎａｌｉｎｔｏｖｏｌｔａｇｅｓｉｇｎａｌｔｏｇｏｏｎｄｅｌｉｖｅｒｙ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｃａｎｎｏｔｏｎｌｙｄｅｌｉｖｅｒｙｉｎａｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅ；ｂｕｓｔａｌｓｏｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄｃｈｅｃｋａｎｄｃｏｎｔｒｏｌ．Ａｎｄｋｎｏｗｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｃｏｒｒｅｃｔｕｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｒｍｏｊｕｎｃｔｉｏｎｃａｎｇｅｔｅｘａｃｔｍｅａｓｕｒｉｎｇｒｅｓｕｌｔ，ｏｔｈｅｒｗｉｓｅｉｓａｂｉｇｅｒｒｏｒ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｒｍｏｊｕｎｃｔｉｏｎ；ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｅｆｆｅｃｔ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ｅｒｒｏｒａｎａｌｙｓｉｓ

１前言

热电偶是一种热电型的温度传感器，它将温度信号转

介质的影响，高温区的复现性和稳定性很好。

（３）由于测温显示电信号，便于信号的远传和记录，也有利于集中检测和控制。

（４）热电偶体积小，热容量及热惯性均小。能用来测量点的温度和壁面温度，也能用来进行动态温度测量。

换成电势（ｍＶ）信号，配以测量信号的仪表或变换器，便可以实现温度的测量和温度信号的转换。热电偶温度计在测温领域应用非常广泛。热电偶温度计具有明显的优点：

（１）热电偶通常是由２种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，结构简单，制造方便，使用起来非常方便。

（２）测温精确度较高，直接与被测对象接触，不受中间

２

２．１

热电偶测温基本原理

热电效应

热电偶测量温度的基本原理是热电效应。将Ａ和Ｂ两

收稿日期：作者简介：

２００７－０７－２１

陆建东（１９７３－），男，工程师，从事热工自动化工作。

・７６

种不同的导体首尾相连组成闭合回路，如果两连接点温度（Ｔ，Ｔ０）不同，则在回路中就会产生热电动势ＥＡ（），形成Ｂｔ，ｔ０热电流，这就是热电效应。热电偶就是将Ａ和Ｂ两种不同的金属材料一端焊接而成。Ａ和Ｂ称为热电极，焊接的一端是接触热场的Ｔ端称为工作端或测量端，也称热端；未焊接的一端（接引线）处在温度Ｔ０称为自由端或参考端，也称冷端。Ｔ与Ｔ０的温差愈大，热电偶的输出热电动势愈大；温差为０时，热电偶的输出电动势为０ｍＶ；因此，可以用测热电动势大小衡量温度的大小。国际上，将热电偶的Ａ、Ｂ热电极材料不同分成若干分度号，如常用的Ｋ（镍铬－镍硅或镍铝）、（镍铬－康铜）、（铜－康铜）等等，并且有相应的分度ＥＴ表，即参考端温度为０℃时的测量端温度与热电动势的对应关系表；可以通过测量热电偶输出的热电动势值再查分度表得到相应的温度值。

图３

Ａ

ＴＴ０

Ｂ

两种导体构成的热电偶回路

这样两端就形正电位，而低温端由于得到电子处于负电位。成了电位差，称为温差电动势。

）＝ＫＥ（ＡＴ，Ｔ０

! １ｄ［Ｎ（! ）Ｔ］

Ｔ０

Ａ

Ａ

Ｔ

对于有Ａ、Ｂ两种导体构成的闭合回路，在Ａ、Ｂ两种导体上产生温差，温差电动势之和为：

）－Ｅ（）＝Ｋ｛Ｅ（ＡＴ，Ｔ０ＢＴ，Ｔ０

ＴＴ０

! （１）ｄ［Ｎ（! ）Ｔ］－

Ｔ０

Ａ

Ａ

Ｂ

Ｂ

Ｔ

! （１）ｄ［Ｎ（! ）Ｔ］｝

综上所述，在整个闭合回路中产生的总电动势ＥＡ（ＢＴ，

Ｔ０）可表示为：

图１

温差热电效

Ａ

ｔ

Ｂ

ｔ０ｔ

Ｂ图２

Ａ

ｔ０ｔＢ热电效应

Ａ

ｔ０

Ｂ

Ｂ

）＝ＥＡ（）－ＥＡ（）－Ｅ（）＋Ｅ（）ＥＡ（ＢＴ，Ｔ０ＢＴＢＴ０ＡＴ，Ｔ０ＢＴ，Ｔ０

））ＡＴＡＴ０

＝Ｋ［ＴｌｎＮ（－Ｔ０ｌｎＮ（］－

ＢＢ０

Ｋ｛

! ｄ［Ｎ（! ）Ｔ］－! １ｄ［Ｎ（! ）Ｔ］｝

１

Ｔ０

Ａ

Ａ

Ｔ０

Ｂ

Ｂ

ＴＴ

２．２两种导体的接触电动势

两种导体接触的时候，由于导体内的自由电子密度不

由上式可知，热电偶总电动势与电子密度ＮＡ、ＮＢ及两节点温度Ｔ、Ｔ０有关，电子密度取决于热电偶材料的特性。当热电偶材料一定时，热电偶的总电动势ＥＡ（）成为温ＢＴ，Ｔ０度Ｔ和Ｔ０的函数差，即：

）＝（（Ｔ）ＥＡ（ｆ" ）－Ｃ＝" ＢＴ，Ｔ０）＝（ＥＡ（ｆＴ）－（ｆＴ０）ＢＴ，Ｔ０

同，如果ＮＡ＞ＮＢ，电子密度大的导体Ａ中的电子就向电子密度小的导体Ｂ扩散，从而由于导体Ａ失去了电子而具有正电位。相反导体Ｂ由于接收到了扩散来的电子而具有负电位。这样在扩散达到动态平衡时Ａ、Ｂ之间就形成了一个电位差。这个电位差称为接触电动势。计算公示如下：）ＡＴ）＝ＫＴｌｎＮ（ＥＡ（ＢＴ

Ｂ

式中：ＥＡ（）—Ａ、Ｂ两种材料在温度为Ｔ时的接触电动势；ＢＴ

（１．３８×Ｋ—玻耳兹曼常数１０）；

－６

２．４温度与热电动势的计算

热电偶的温差电动势与两端接头温度之间的关系比较

复杂，但是在较小温差范围内可以近似认为温差电动势（ｔ，ｔ０）与温度差（ｔ－ｔ０）成正比，即热电势的大小与ｔ和ｔ０ＥＡＢ

之差的大小有关，当热电偶的两个热电极材料已知时，测量温度的高低可以由热电偶回路中两端的热电势差计算得出。

）＝ＥＡ（（）ＥＡ（Ｂｔ，ｔ０Ｂｔ）－ＥＡＢｔ０

式中：ＥＡ（）—热电偶的热电势；Ｂｔ，ｔ０

（１．６０２１８９２×ｅ—电子电荷１０）；

－１９

）、）—Ａ、Ｎ（Ｎ（Ｂ两种材料在温度Ｔ时的自由电ＡＴＢＴ子密度。

）ＡＴ０

）＝ＫＴ０ｌｎＮ（ＥＡ（ＢＴ０

Ｂ０回路中总的接触电势为：

））ＡＴＡＴ０

）－ＥＡ（）＝Ｋ［ＴｌｎＮ（ＥＡ（－Ｔ０ｌｎＮ（］ＢＴＢＴ０

ＢＢ０

ＥＡ（Ｂｔ）—温度为ｔ时测量端的热电势；

测量（热）节点

参考（冷）节点

２．３单一导体中的温差电动势

对单一金属导体，如果两端的温度不同，则两端的自由

ｔ（ｔ）ＥＡＢ

图４

温度与热电势的转换

＋

ｔ０

（ｔ，ｔ０）ＥＡＢ（ｔ０）ＥＡＢ

电子就具有不同的动能。温度高则动能大，动能大的自由电子就会向温度低的一段扩散。失去了电子的这一端就处于

－

７７・

）—温度为ｔ０时冷端的热电势；ＥＡ（Ｂｔ０

从上式可看出当测量端的被测介质温度发生变化（ｔ，ｔ０）时，热电势随之发生变化，因此，只要测出ＥＡＢ

和知道ＥＡＢ（ｔ０）就可得到ＥＡＢ（ｔ），将热电势送入显示仪表进行指示或记录，或送入微机进行处理，即可获得测量端温度ｔ值。

Ａ

Ｃ

Ｂ

Ｔ０

Ｔ０

Ｔ０

ＣＡＢ

２．５热电偶的几个重要定律

要真正了解热电偶的应用就必须要掌握热电偶回路的

Ｔ图６

ＴＴ

三种导体分别组成的热电偶

几条重要定律。２．５．４连接导体定律

在热电偶回路中，如果热电偶的电极材料Ａ和Ｂ分别

２．５．１均质材料定律

由一种均质材料组成的闭合回路，不论材料长度、方

与连接导线Ａ１和Ｂ１相连接，各有关接点温度为ｔ，ｔｎ和ｔ０，那么回路的总热电势等于热电偶两端处于ｔ和ｔｎ温度条件下的热电势ＥＡ（）与连接导线Ａ１和Ｂ１两端处于ｔｎ和ｔ０Ｂｔ，ｔｎ温度条件的热电势ＥＡ１Ｂ（）的代数和。１ｔｎ，ｔ０

向、各处温度如何分布，回路中均不产生热电势。这条规律要求组成热电偶的两种材料必须各自都是均质的，否则会由于沿热电偶长度方向存在温度梯度而产生附加电势，从而因热电偶材料不均引入误差。

２．６２．６．１

热电偶的种类及结构热电偶的种类

２．５．２中间导体定律

在热电偶回路中插入第三种（或多种）均质材料，只要

理论上讲，凡是不同的金属材料均可组成热电偶，但在实际中并非如此。首先是热电极材料的要求，一般要求物理化学性质稳定，电阻温度系数小，机械性能好，所组成的热电偶灵敏度高，复现性好，而且希望热电势与温度之间的函数关系能呈线性关系。目前，被选做热电偶电极的材料已有许多种，由于不同材料具有不同的特性，所组成的热电偶在不同温度范围内所表现出的性能有较大差异。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有

所插入的材料两端连接点温度相同，则所插入的第三种材料不影响原回路的热电势。这条定律表明在热电偶回路中可拉入测量热电势的仪表，只要仪表处于稳定的环境温度即可，同时还表明热电偶的接点不仅可经焊接而成，也可以借用均质等温的导体加以连接。

Ｔ

Ａ

Ｂ统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化的热电偶，

我国从１９８８年１月１日起，热电偶就按

Ｔ０

图５

Ｃ热电效应

Ｔ０

ＩＥＣ国际标准生产，并指定Ｓ、Ｂ、Ｅ、Ｋ、Ｒ、Ｊ、Ｔ七种标准化热

电偶为我国统一设计型热电偶。

２．６．２热电偶的结构形式

２．５．３中间温度定律

两种不同材料组成的热电偶回路，其接点温度分别为ｔ

为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：

①组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；②两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；③补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；④保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

（１）常用热电偶及特性（Ｓ型）①铂铑－铂热电偶

铂铑－铂热电偶正极为铂铑合金丝（铂９０％，铑１０％），负极为纯铂丝，其物理化学性能稳定，测量精度高，常用于精密温度测量和作为基准温度计使用。可用于中、高温区的温度测量，通常使用范围为３００℃￣１３００℃，短期可达

和ｔ０时的热电势ＥＡ（）等于该热电偶在接点温度为Ｔ、ＴａＢｔ，ｔ０和Ｔａ、Ｔ０时热电动势的代数和，即

）＝ＥＡ（）＋ＥＡ（）ＥＡ（ＢＴ，Ｔ０ＢＴ，ＴａＢＴａ，Ｔ０两端点在任意温度时的热电势为：）＝ＥＡ（）－ＥＡ（）ＥＡ（Ｂｔ，ｔａＢｔ，ｔ０Ｂｔａ，ｔ０

所以图６所示两种导体Ａ、Ｂ分别与第三种导体Ｃ组那么成热电偶．如果Ａ、Ｃ和Ｂ、Ｃ热电偶的热电动势已知、这两种导体Ａ、Ｂ组成的热电偶产生的电动势就可以用下面的公式求得。

）＝ＥＡ（）－ＥＢ（）ＥＡ（ＢＴ，Ｔ０ＣＴ，Ｔ０ＣＴ，Ｔ０

１６００℃。

・７８

（ＥＵ型）②镍铬－镍硅热电偶

镍铬－镍硅热电偶以镍铬为正极，镍硅为负极，其化学（室温下℃变化），成本低，价格低廉，性能很稳定，灵敏度高

非常适合于中高温的测量，常用工作范围１００℃￣１０００℃，短期可达１３００℃。镍铬合金名义组份是９０％镍和１０％铬及少量硅等，镍硅合金名义组份为９７％镍和３％硅及少量钴等。

（Ｔ０型）③铜－康铜热电偶

铜－康铜热电偶属于廉金属热电偶，其正极为纯铜（ＴＰ），负极为康铜（铜镍）合金（ＴＮ）。在低温状态普遍应用的一种热电偶，测温范围－２００℃￣３００℃，热电极丝的均匀性好，稳定性高，灵敏度好，价格低廉，分度号为铠装型热电偶是将热电极丝装在有绝缘材料的金属套管中，经组合加工成可弯曲的坚实的组合体，再依所需长度截断，对其测量端和参考端进行加工即制成铠装型热电偶。该种热电偶可以做得很细很长，在使用中可随测量需要而弯曲。其测温范围宽，响应速度快，热接点处的热容量小，使用寿命长。同时其机械强度高，耐压性能高，适应性广，绕性大，安装使用方便，应用极其广泛。铜丝具有高纯度（９９．９９９％以上），康铜的成分是６０％铜和４０％镍。

（Ｅ型）④镍铬－康铜热电偶

镍铬－康铜热电偶以镍铬为正极，康铜为负极，综合了镍铬－镍硅热电偶和铜－康铜热电偶的一些优点，它的最大优点是灵敏度高，长期使用温度６００℃，短期使用温度

电偶参比端不等于０℃时，需对仪表的示值加以修正，因为热电偶的温度－热电动势关系以及分度表是在参比端为

０℃得到的。修正公式如下：

（Ｔ，０℃）＝Ｅ（Ｔ，ｔ０）＋Ｅ（ｔ０，０℃）Ｅ

３

３．１３．１．１

热电偶测温误差分析

影响热电偶测温的因素玷污与应力影响

热电偶在生产过程中，偶丝经过多道缩径拉伸在其表面总是受玷污的，同时，从偶丝的内部结构来看，不可避免地存在应力及晶格的不均匀性。因淬火或冷加工引入的应力，退火不合格所造成的误差，可达十分之几度到几度。它与待测温度及热电偶电极上的温度梯度大小有关。

３．１．２不均匀性影响

一般来说热电偶若是由均质导体制成的，则其热电势只与两端的温度有关，若热电极材料不是均匀的，且热电极又处于温度梯度场中，则热电偶会产生一个附加热电势，即“不均匀电势”。其大小取决于沿热电极长度的温度梯度分布状态，材料的不均匀形式和不均匀程度，以及热电极在温度场所处的位置。造成热电极不均匀的主要原因有：在化学成分方面如杂质分布不均匀，成分的偏析，热电极表面局部的金属挥发，氧化或某金属元素选择氧化，测量端在高温下的热扩散，以及热电偶在有害气氛中受到玷污和腐蚀等。在物理状态方面有应力分布不均匀和电极结构不均匀等，在工业使用中，有时不均匀电势引起的附加误差竟达３０℃，这将严重地影响热电偶的稳定性和互换性。对于新制的热电偶，即使是不均质，热电动势能满足

８００℃，最大的特点是热电动势率最大，即灵敏度最高，但

极易被氧化。

（２）常用热电偶热电势与温度变化的关系（见表１）

表１材料名称（Ｓ型）铂铑－铂镍铬－镍硅（ＥＵ型）镍铬－康铜（Ｔｏ型）镍铬－康铜（Ｅ）

使用温度

范围（℃）

热电势（ｍＶ／１００℃）

极性

要求，但是反复加工，弯曲致使热电偶产生加工畸变。也将失去均质性，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，例如：插入工业高温部位中的热电偶，将沿偶丝长度方向发生劣化，并伴随温度增高，劣化增强，当局部劣化的部分处于具有温度梯度的场所也将产生寄生电动势，叠加在总热电动势中而出现测量误差。

－２０￣１３００－５０￣９００－２０￣４００－２０￣４００

０．６４４．１０６．９５６．９５

＋＋＋＋

２．６．３热电偶冷端的温度补偿

由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度ｔ０≠０℃时对测温的影响，而且在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过１００℃。当热

３．１．３热电偶不稳定性影响

不稳定性就是指热电偶的分度值随使用时间和使用条件的不同而起的变化。在大多数情况下，它可能是不准确性的主要原因。影响不稳定性的因素有：玷污，热电极在高温下挥发，氧化和还原，脆化，辐射等。

３．１．４传热及热电偶安装影响

由于热电偶测温是属于接触式测量，当热电偶插入被测介质时，它要从被测介质吸收热量使自身温度升高，同时又以热辐射方式和热传导方式向温度低的地方散发热量，当测量端向外散失的热量等于自气流中吸收的热量时即达到动态平

７９・

表２

影响因素

铠装热电偶的直径中间部位的加热温度中间部位的加热带长度中间部位的加热带位置绝缘电阻热电偶丝电阻

直径越细，越容易产生误差。

中间部位的加热温度超过６００℃，容易产生分流误差。中间部位加热长度越长，越容易产生分流误差。

条件

中间部位加热带的位置距测量端越远，越容易产生分流误差。绝缘电阻越低，越容易产生分流误差。

①Ｋ型与Ｓ型相比，Ｋ型热电偶丝电阻比Ｓ型电阻大，故更容易产生分流误差。

②外径相同的铠装热电偶，热电偶丝越细，越容易产生分流误差。

衡，此时热电偶达到了稳定的示值，但并不代表真实温度，因为测量端环境散失的热量是由环境温度来补偿，测量端与环境的传热愈强，测量端的温度偏离真实温度就愈大。

往是变化的，测温仪表所测得的温度值就会产生很大误差。

３．２３．２．１

各种影响误差因素的解决方式热电势补正法

３．１．５导热误差影响由中间温度定律可知，参考端温度为ｔｎ时的热电势为：）＝ＥＡ（）－ＥＡ（）ＥＡ（Ｂｔ，ｔｎＢｔ，ｔ０Ｂｔｎ，ｔ０

所以只要用热电偶测出参比端的温度ｔｎ，然后从对应电偶的分度表中查出对应温度下的热电势Ｅ（ｔｎ，ｔ０），再将这个热电势与所实测的Ｅ（ｔ，ｔｎ）代数相加，得出的结果就是热电偶参比端温度为０度时对应的测量端的温度为ｔ时的热（ｔ，ｔ０），最后再从分度表中查得对应于Ｅ（ｔ，０）的温电势Ｅ

度，这个温度就是热电偶测量端的实际温度ｔ０。在计算机应用日益广泛的今天，可以利用软件处理方法，特别是在多点测量系统或高温测控中，采用这种方法，可很好的解决参比端温度的变化问题，只要随时准确的测出ｔｎ，就可以准确得到测量端温度，同时还充分应用了对应热电偶的分度表对非线性误差得到了校正，而且适应各种热电偶。

在测量高温场所的温度时，由于沿热电偶长度存在温度梯度，故测量端必然会沿热电极导热，使得指示温度偏离实际温度。

３．１．６测量系统漏电分流影响

绝缘不良是产生电流泄漏的主要原因，它对热电偶的准确度有很大的影响，能歪曲被测的热电势，使仪表显示失真，甚至不能正常工作。漏电引起误差是多方面的，例如，热若电测设电极绝缘瓷管的绝缘电阻较差，使得热电流旁路。备漏电，也能使工作电流旁路，使测量产生误差。

分流误差即用铠装热电偶测温，当热电偶中间部位的温度超过６００℃时其绝缘电阻就下降，热电偶示值出现异常的现象，称为分流误差。依据均质回路定则，热电偶只与测量端两断温度有关，与中间温度分布无关，可是由于铠装热电偶的绝缘物是粉末状石英沙，温度每升高１００℃其绝缘电阻下降一个数量级，当中间部位温度较高时，必定有漏电流产生，致使在热电偶输出电势中有分流误差出现，导致热电偶测量出现误差。分流误差的产生条件与铠装热电偶种类和直径等因素有关，铠装热电偶产生分流误差具体的条件如表２。

３．２．２调仪表起始点法

）对应于热电势，如果在测量由于仪表示值是ＥＡ（Ｂｔｎ，ｔ０

线路开路的情况下，将仪表的指针零位调定到ｔｎ处，就等于事先给仪表加了一个电势ＥＡ（），当用闭合测量线路进Ｂｔｎ，ｔ０（ｔｎ，ｔ０）就与ＥＡＢ（ｔ，ｔｎ）行测温时，由热电偶输入的热电势ＥＡＢ

叠加，其和正好等于ＥＡ（）。因此对直读式仪表采用调仪Ｂｔ，ｔ０表起始点的方法十分简便。

３．１．７动态响应误差影响３．２．３补偿导线法

热电偶插入被测介质后，由于本身具有热惰性，因此不能立即指示出被测介质的温度，只有当测量端吸、放热达到动态平衡后才达到稳定的示值。在热电偶插入后到示值稳定之前的整个不稳定过程中，热电偶的瞬时示值与稳定后的示值存在着偏差，这时热电偶除了有各种稳定的误差外，还存在由热电偶热惰性引入的偏差，即动态响应误差。

补偿导线法是采用补偿导线把热电偶的参考端延长到温度较恒定的地方，再进行修正。此时参考端己变为一个温度不变或变化很小的新参考端，此时的热电偶产生热电势已不受原参考端温度变化影响，ＥＡ（Ｔ１０）是新参考端温度ＢＴ、），且Ｔ１０为一常数时所测得热电势，ＴＡ（Ｔ１０（不等于０℃ＢＴ、

Ｔ１０）是参考端温度Ｔ０＝０℃时，工作端为Ｔ１０时所测得热电势

（热电偶分度表中可查出）。从本质上来说它并不能消除参考端温度不为０℃时的影响，因此，还应该与其它修正方法结合才能将补偿导线与仪表连接处的温度修正到０℃。使用补偿导线时，不仅应注意补偿导线的极性，还应特别注意不要错用补偿导线，同时应注意补偿导线与热电偶连接处

３．１．８参考端温度影响

热电偶的热电动势的大小与热电极材料以及工作端的温度有关。热电偶的分度表和根据分度表刻度的温度显示仪表都是以热电偶参考端温度等于０℃为条件的。在实际使用热电偶时，其冷端温度（参考端）不但不为０℃，而且往

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的两端温度保持相等，且温度在０℃￣１００℃（或０℃￣１５０℃）之间，否则要产生测量误差。

表３

补偿导配用热电偶的线型号

分度号（铂铑１０－铂）Ｓ

（镍铬－镍硅）Ｋ

（镍铬－镍硅）Ｋ

（镍铬－铜镍）Ｅ

（铁－铜镍）Ｊ

（铜－铜镍）Ｔ

补偿导线分度号表补偿导线合金丝正极（铜）ＳＰＣ（铜）ＫＰＣ（镍铬）ＫＰＸ（镍铬）ＥＰＸ（铁）ＪＰＸ（铜）ＴＰＸ

负极（铜镍）ＳＮＣ（铜镍）ＫＮＣ（镍硅）ＫＮＣ（铜镍）ＥＮＸ（铜镍）ＪＮＸ（铜镍）ＴＰＸ

补偿导线颜色正极红红红红红红

负极绿蓝黑棕紫白

图７

Ａ

ｒ１

ｒ０

ｒ１

ｒ３

ｒ２

－

Ｅｘ

＋

ａ＋－ｂ

Ｂ

ＳＣＫＣＫＸＥＸＪＸＴＸ

－直流＋

ＪＶ

电桥补偿导测量电路

４结束语

通过对热电偶度测温方法及误差来源的分析，对热电

３．２．４参考端温度补偿器

补偿器是一个不平衡电桥，电桥的３个桥臂电阻是电阻温度系数很小的锰铜丝绕制的。其阻值基本上不随温度变化而变化，并使Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝１Ω。另一个桥臂电阻Ｒｔ是由电阻温度系数较大的铜绕制而成，并使其在２０℃时

偶测温元件的测温原理和引起误差的因素有了系统认识，得出结论：热电偶的不稳定性、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元件制造过程或是测量系统及仪器本身存在的误差，还有一些误差则是人为造成的，对这些引起测温误差的因素只要我们细心，并对热电偶测温元件的特性有一定的了解就可以避免。

Ｒｔ＝Ｒ１＝１Ω，此时电桥平衡，没有电压输出，当电桥所处温

度发生变化时，Ｒｔ的阻值也随之改变，于是就有不平衡电压输出，此输出电压用来抵消参考端温度变化所产生的热电势误差，从而获得补偿。（注：我国也有以０℃作为平衡点温度的）当温度达到４０℃（即计算点温度）时桥路的输出电压恰好补偿了热电偶参比端温度偏离平衡点温度而产生的热电势变化量。对电子电位差计，其测量桥路本身就具有温度自动补偿的功能，使用时无需再调整仪表的温度起始点。除了平衡点和计算点外，在其他各参比端温度值时只能得到近似的补偿，因此采用冷端补偿器作为参比端温度的处理方法会带来一定的附加误差。（上接第７５页）

参考文献：

［１］

工业自动化仪表手册编辑委员会．工业自动化仪表手册．北京：机械工业出版社，１９８８．

［２］

能源部西安热工研究所．热工技术手册．北京：水利电力出版社，１９９２．

［３］

王家祯．自动化仪表设计基础．北京：中国电力出版社，１９９５．

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子点火系统设计合理，运行操作简单，运行可靠，控制逻辑合理，保护可靠。在机组试运期间投入等离子煤粉点火系统，电除尘器可以在锅炉启动及低负荷期间正常投入，大大减少粉尘的排放，避免了环境污染，给电厂带来显著的社会效益和经济效益。采用等离子技术点燃煤粉锅炉经济、高效、简单、安全、环保，有百利而无一害，当然是燃煤锅炉的首选设备，是目前燃油系统改造的最佳替代产品，电厂可以

［２］

单一燃料运行，简化了系统和运行方式，是一项值得推广的新技术，在工业生产领域中有着广阔的发展前景。

参考文献：

［１］

ＤＬＺ－２００型等离子点火装置使用维护说明．烟台龙源电力技术有限公司．２００６年８月．

３３０ＭＷ锅炉原理说明书．武汉锅炉厂．２００４年３月．

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