工业测温用的热电偶, 其基本构造包括热电偶丝材、绝缘管、保护管和接线盒等, 如图1所示。

根据热电偶选用的丝材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。非标准热电偶在使用范围或数量级上均不及标准热电偶, 一般没有统一的分度表, 主要用于某些特殊场合的测量。

热电偶的工作端被牢固地焊接在一起, 热电极之间需要用绝缘管保护。热电偶的绝缘材料很多, 大体上可分为有机和无机绝缘两类, 处于高温端的绝缘物必须采用无机物, 通常在1 000℃以下选用黏土质绝缘管, 在1 300℃以下选用高铝管, 在1 600℃以下选用刚玉管。

保护管的作用在于使热电偶电极不直接与被测介质接触, 它不仅可延长热电偶的寿命, 而且可起到支撑和固定热电极增加其强度的作用。因此, 热电偶保护管及绝缘选择是否合适, 将直接影响到热电偶的使用寿命和测量的准确度, 被采用做保护管的材料主要分金属和非金属两大类。

将两种不同材料的导体或半导体 (称为热电偶丝材或热电极) 两端焊接起来, 构成一个闭合回路, 当两导体之间存在温差时, 便产生电动势, 在回路中就会形成电流, 这种现象称为热电效应, 而这种电动势称为热电势。热电偶测温的基本原理就是热电效应。在由两种不同材料的导体A和B所组成的闭合回路中, 当A和B的两个接点处于不同温度T和T0时, 在回路中就会产生热电流, 这就是所谓的塞贝克效应。导体A和B称为热电极。温度较高的一端T叫测量端 (也称“工作端”) ;温度较低的一端T0叫参考端 (也称“补偿端”, 通常处于某个恒定的温度下) 。热电偶的工作原理图如图2所示。

《工作用廉金属热电偶》检定规程规定, 热电偶长度不小于750 mm, 之所以对长度做出规定, 是因为热电偶在离开测温区之后要有足够宽的温度梯度区产生电动势, 同时也为了有效地阻止热电偶测量端的热量传给接线端。一般来说由于热电偶长度不够带来的误差是负的, 且长度越短, 带来的误差也越大。

热电偶丝细而软, 极易发生变形, 当热电偶丝发生折叠、扭曲等塑性形变时热电极产生应力, 热电偶的热电特性随之改变, 使热电偶产生畸变从而导致测量结果受到影响[1]。所以在检定前要把热电偶丝拉直。

热电偶在高温下, 其绝缘阻值随温度升高而急剧降低, 从而产生漏电流, 该电流通过绝缘电阻已经下降的绝缘物质进入仪表, 使仪表指示不稳或产生测量误差。所以在热电偶检定时不能忽视对其绝缘电阻的测试, 只有当满足检定规程要求时才能进行温度允差检定。

接触法测温的基本原理是测温元件要与被测对象达到热平衡。因此, 在测温时需要保持一定时间, 才能使两者达到热平衡。因此测温元件的热响应时间直接影响保持时间, 而热响应时间主要取决于传感器的结构及测量条件。响应时间越短, 误差越小。所以在日常检定过程中要根据不同类型的热电偶选择合适的升温速率及热平衡时间。

热电偶的测量端应处于能够真正代表被测介质温度的位置, 为了保证测量结果的真实可靠, 热电偶应有足够的插入深度, 最少不小于热电偶保护管外径的10倍;若被测介质具有负压时, 热电偶安装必须严格密封, 以免对流影响测量的准确性;热电偶的安装位置应尽量保持垂直, 防止保护管在高温下产生变形, 但在有流速的情况下, 热电偶倾斜45°安装最佳, 且与介质流动方向相逆;安装地点应尽可能地远离热源、电场、强磁场等, 防止由于外来因素的干扰而造成测量结果出现偏差[2]。

在满足测量范围、工作压力、精度要求下, 应优先选用热电偶温度计;在设备、管道外壁、转动物体表面进行温度测量, 选择表面热电偶或铠装热电偶。

热电偶测量温度时, 计算方法满足均质导体定律、中间导体定律、中间温度定律等。此外, 针对不同测量值, 采用不同的误差标定方法, 最大限度地减少测量误差。

通常采用补偿导线把热电偶的冷端延伸到温度比较稳定的控制室内。补偿导线外部的绝缘层必须着色。在使用时注意型号相配, 极性不能接错。

铠装热电偶能弯曲、耐高压、热响应时间快。使用时, 若铠装热电偶的测量端高于中间部位, 则产生负误差;相反则产生正误差。如果两者的温差为200℃, 则分流误差约为100℃, 这是不能忽视的。

热电偶使用一段时间后, 由于使用条件不适合等原因, 在出现老化变质的同时, 热电动势也发生变化。高温真空条件下, 不能用裸丝形式长期使用, 必须加装保护管;在高温下, 铬的正极发生择优氧化, 铬含量的降低会引起热电为势偏差[3]。为此, 可增大保护管直径或采用吸气剂来防止氧化。

铠装热电偶温度计有套管保护, 与外界环境隔绝, 因此保护套管的材质对铠装热电偶的使用寿命影响很大, 必须根据用途选择热电偶丝及金属套管。

热电偶温度计是科学研究、生产中最常用的温度测量仪器, 在使用中, 如果忽略各种注意事项, 会产生较大测量误差。本文针对检定及使用中容易出现的问题做出系统分析并提出相应解决办法, 有助于提高热电偶温度计测量精度, 延长热电偶温度计使用寿命, 为生产提供便利。