① 用熱電偶測溫度的實驗報告
一、熱電偶測溫基本原理
將兩種不同材料的導體或半導體A和B連接起來，構成一個閉合迴路，就構成熱電偶。如圖1所示。溫度t端為感溫端稱為測量端, 溫度t0端為連接儀表端稱為參比端或冷端,當導體A和B的兩個執著點t和t0之間存在溫差時,就在迴路中產生電動勢EAB(t,t0), 因而在迴路中形成電流,這種現象稱為熱電效應".這個電動勢稱為熱電勢,熱電偶就是利用這一效應來工作的.熱電勢的大小與t和t0之差的大小有關.當熱電偶的兩個熱電極材料已知時,由熱電偶迴路熱電勢的分布理論知熱電偶兩端的熱電勢差可以用下式表示：
EAB(t,t0)＝EAB(t)－EAB(t0)
式中 EAB(t,t0)－熱電偶的熱電勢；
EAB(t)－溫度為t時工作端的熱電勢；
EAB(t0)－溫度為t0時冷端的熱電勢。
從上式可看出!當工作端的被測介質溫度發生變化時，熱電勢隨之發生變化，因此，只要測出EAB(t,t0)和知道EAB(t0)就可得到EAB(t)，將熱電勢送入顯示儀表進行指示或記錄，或送入微機進行處理，即可獲得測量端溫度t值。
要真正了解熱電偶的應用則不得不提到熱電偶迴路的幾條重要性質：
質材料定律：由一種均質材料組成的閉合迴路，不論材料長度方向各處溫度如何分布，迴路中均不產生熱電勢。這條規律要求組成熱電偶的兩種材料必須各自都是均質的，否則會由於沿熱電偶長度方向存在溫度梯度而產生附加電勢，從而因熱電偶材料不均引入誤差。
中間導體定律：在熱電偶迴路中插入第三種（或多種）均質材料，只要所插入的材料兩端連接點溫度相同，則所插入的第三種材料不影響原迴路的熱電勢。這條定律表明在熱電偶迴路中可拉入測量熱電勢的儀表，只要儀表處於穩定的環境溫度即可。同時還表明熱電偶的接點不僅可經焊接而成，也可以借用均質等溫的導體加以連接。
中間溫度定律：兩種不同材料組成的熱電偶迴路，其接點溫度分別為t和to時的熱電勢EAB(t,to)等於熱電偶在連接點溫度為(t,tn)和(tn,to)時相應的熱電勢EAB(t,tn)和EAB(tn,to)的代數和，其中tn為中間溫度。該定律說明當熱電偶參比端溫度不為0℃時，只要能測得熱電勢EAB(t,to)，且to已知，仍可以採用熱電偶分度表求得被測溫度t值。
連接導體定律：在熱電偶迴路中，如果熱電偶的電極材料A和B分別與連接導線A1和B1相連接（如下圖所示），各有關接點溫度為t,tn和to,那麼迴路的總熱電勢等於熱電偶兩端處於t和tn溫度條件下的熱電勢EAB(t,tn)與連接導線A1和B1兩端處於tn和to溫度條件的熱電勢EA1B1(tn,to)的代數和。
中間溫度定律和連接導體定律是工業熱電偶測溫中應用補償導線的理論依據。
二、各種誤差引起的原因及解決方式
2.1 熱電偶熱電特性不穩定的影響
2.1.1 玷污與應力的影響及消除方法
熱電偶在生產過程中，偶絲經過多道縮徑拉伸在其表面總是受玷污的，同時，從偶絲的內部結構來看，不可避免地存在應力及晶格的不均勻性。因淬火或冷加工引入的應力，可以通過退火的方法來基本消除,退火不合格所造成的誤差,可達十分之幾度到幾度。它與待測溫度及熱電偶電極上的溫度梯度大小有關。廉金屬熱電偶的偶絲通常以「退火」狀態交付使用,如果需要對高溫用廉金屬熱電偶進行退火，那麼退火溫度應高於其使用溫度上限,插入深度也應大於實際使用的深度。貴金屬熱電偶則必須認真清洗(酸洗和四硼酸鈉清洗)和退火,以清除熱電偶的玷污與應力。
2.1.2 不均勻性的影響
一般來說熱電偶若是由均質導體製成的，則其熱電勢只與兩端的溫度有關，若熱電極材料不是均勻的，且熱電極又處於溫度梯度場中，則熱電偶會產生一個附加熱電勢，即「不均勻電勢」。其大小取決於沿熱電極長度的溫度梯度分布狀態，材料的不均勻形式和不均勻程度，以及熱電極在溫度場所處的位置。造成熱電極不均勻的主要原因有：在化學成分方面如雜質分布不均勻，成分的偏析，熱電極表面局部的金屬揮發，氧化或某金屬元素選擇氧化，測量端在高溫一的熱擴散，以及熱電偶在有害氣氛中受到玷污和腐蝕等。在物理狀態方面有應力分布不均勻和電極結構不均勻等。
在工業使用中，有時不均勻電勢引起的附加誤差竟達30℃這多，這將嚴重地影響熱電偶的穩定性和互換性，其主要解決方式就是對其進行檢驗，只使用在誤差允許范圍內的熱電偶。
2.1.3 熱電偶不穩定性的影響
不穩定性就是指熱電偶的分度值隨使用時間和使用條件的不同而起的變化。在大多數情況下，它可能是不準確性的主要原因。影響不穩定性的因素有：玷污，熱電極在高溫下揮發，氧化和還原，脆化，輻射等。若分度值的變化相對地講是緩慢而又均勻的，這時經常進行監督性校驗或根據實際使用情況安排周期檢定，這樣可以減少不穩定性引入的誤差。
2.2 參考端溫度影響及修正方法
熱電偶的熱電動勢的大小與熱電極材料以及工作端的溫度有關。熱電偶的分度表和根據分度表刻度的溫度顯示儀表都是以熱電偶參考端溫度等於0℃為條件的。在實際使用熱電偶時,其冷端溫度(參考端) 不但不為0 ℃,而且往往是變化的,測溫儀表所測得的溫度值就會產生很大誤差,在這種情況下,我們通常採用如下方法來修正。
2.2.1 熱電勢補正法
由中間溫度定律可知，參考端溫度為tn時的熱電勢EAB(t,tn)＝EAB(t,t0)－EAB(tn,t0)。所以，用常溫下的溫度感測器，只要測出參比端的溫度tn，然後從對應電偶的分度表中查出對應溫度下的熱電勢E（tn,t0），再將這個熱電勢與所實測的E(t,tn)代數相加，得出的結果就是熱電偶參比端溫度為0度時，對應於測量端的溫度為t時的熱電勢E（t,t0）最後再從分度表中查得對應於E(t,0)的溫度，這個溫度就是熱電偶測量端的實際溫度t。在計算機應用日益廣泛的今天，可以利用軟體處理方法，特別是在多點測量系統或高溫測控中，採用這種方法，可很好的解決參比端溫度的變化問題，只要隨時准確的測出tn，就可以准確得到測量端溫度。同時還充分應用了對應熱電偶的分度表，並對非線性誤差得到了校正，而且適應各種熱電偶。
2.2.2 調儀表起始點法
由於儀表示值是EAB(tn,t0)對應於熱電勢，如果在測量線路開路的情況下，將儀表的指針零位調定到tn處，就當於事先給儀表加了一個電勢EAB(tn,t0)，當用閉合測量線路進行測溫時，由熱電偶輸入的熱電勢EAB(tn,t0)就與EAB(t,tn)疊加，其和正好等於EAB(t,t0)。因此對直讀式儀表採用調儀表起始點的方法十分簡便。
2.2.3 補償導線
採用補償導線把熱電偶的參考端延長到溫度較恆定的地方,再進行修正。從本質上來說它並不能消除參考端溫度不為0℃時的影響，因此，還應該與其它修正方法結合才能將補償導線與儀表連接處的溫度修正到0℃。此時參考端己變為一個溫度不變或變化很小的新參考端。此時的熱電偶產生熱電勢己不受原參考端溫度變化影響, EAB ( T、T10 ) 是新參考端溫度T10 (不等於℃) ,且T10 為一常數時所測得熱電勢, TAB( T、T10 ) 是參考端溫度T0 = 0 ℃時,工作端為T10時所測得熱電勢(熱電偶分度表中可查出) 。
使用補償導線時，不僅應注意補償導線的極性，還應特別注意不要錯用補償導線，同時應注意補償導線與熱電偶連接處的兩端溫度保持相等，且溫度在0－100℃（或0－150℃）之間，否則要產生測量誤差。
2.2.4 參考端溫度補償器
補償器是一個不平衡電橋,電橋的3 個橋臂電阻是電阻溫度系數很小的錳銅絲繞制的。其阻值基本上不隨溫度變化而變化,並使R1 = R2 =R3 = 1Ω。另一個橋臂電阻Rt 是由電阻溫度系數較大的銅繞制而成,並使其在20 ℃時Rt = R1 =1Ω ,此時電橋平衡,沒有電壓輸出,當電橋所處溫度發生變化時, Rt 的阻值也隨之改變,於是就有不平衡電壓輸出,此輸出電壓用來抵消參考端溫度變化所產生的熱電勢誤差，從而獲得補償。（註：我國也有以0℃作為平衡點溫度的）當溫度達到40℃（即計算點溫度）時橋路的輸出電壓恰好補償了熱電偶參比端溫度偏離平衡點溫度而產生的熱電勢變化量。
對電子電位差計，其測量橋路本身就具有溫度自動補償的功能，使用時無需再調整儀表的溫度起始點。除了平衡點和計算點外，在其他各參比端溫度值時只能得到近似的補償，因此採用冷端補償器作為參比端溫度的處理方法會帶來一定的附加誤差。
2.3 傳熱及熱電偶安裝的影響
由於熱電偶測溫是屬於接觸式測量，當熱電偶插入被測介質時，它要從被測介質吸收熱量使自身溫度升高，同時又以熱輻射方式和熱傳導方式向溫度低的地方散發熱量，當測量端各外散失的熱量等於自氣流中吸收的熱量時即達到動態平衡，此時熱電偶達到了穩定的示值，但並不代表氣流的真實溫度，因為測量端環境散失的熱量是由氣流的加熱來補償，也就是說測量端與氣流的熱交換處於不平衡狀態，因此，它們的溫度也不可能具有相同的數值。測量端與環境的傳熱愈強，測量端的溫度偏離氣流溫度也愈大。
2.3.1 熱輻射誤差
熱輻射誤差產生的原因是熱電偶測量端與環境的輻射熱交換所引起的，這是熱電偶與氣流之間的對流換熱不能達到熱平衡的結果。減少輻射誤差的辦法，一是加劇對流換熱，二是削弱輻射換熱。具體方法有：
盡量減少器壁與測量端的溫差，即在管壁鋪設絕熱層；
在熱電偶工作端加屏蔽罩；
增大流體放熱系數，即增加流速，加強擾動，減小偶絲直徑或使熱電極與氣流形成跨流等。
2.3.2 導熱誤差
在測量高溫氣流的溫度時，由於沿熱電偶長度存在溫度梯度，故測量端必然會沿熱電極導熱，使得指示溫度偏離實際溫度。導熱量相差越多，相應的誤差就越大，因此凡能加劇對流和削弱導熱的因素都可以用來減少導熱誤差。具體方法有：
增加L/d；
將熱電偶垂直安裝改成斜裝或彎頭處安裝，安裝時應注意使熱電偶的端對著氣流方向，並處在流速最大的位置上；
選用熱電偶和支桿導熱系數較小的材料。
2.4 測量系統漏電影響
絕緣不良是產生電流泄漏的主要原因，它對熱電偶的准確度有很大的影響，能歪曲被測的熱電勢，使儀表顯示失真，甚至不能正常工作。漏電引起誤差是多方面的，例如，熱電極絕緣瓷管的絕緣電阻較差，使得熱電流旁路。若電測設備漏電，也能使工作電流旁路，使測量產生誤差。由於測量熱電勢的電位差計都是低電阻的，因此它對絕緣電阻的要求並不高，影響熱電勢測量的漏電主要是來處被測系統的高溫，因為熱電偶保護管和熱電極的絕緣材料的絕緣電阻將隨著溫度升高而下降，我們通常所說的鎧裝熱電偶的「分流誤差」就屬這類情況。一般是採用接地或其它屏蔽方法。對鎧裝熱電偶的分流誤差我們通常是以增大其直徑；增加絕緣層厚度；縮短加熱帶長度；降低熱電偶的電阻值等方法來降低誤差的。
2.5 動態響應誤差
熱電偶插入被測介質後，由於本身具有熱惰性，因此不能立即指示出被測氣流的溫度，只有當測量端吸、放熱達到動態平衡後才達到穩定的示值。在熱電偶插入後到示值穩定之前的整個不穩定過程中，熱電偶的瞬時示值與穩定後的示值存在著偏差，這時熱電偶除了有各種穩定的誤差外，還存在由熱電偶熱惰性引入的偏差，即動態響應誤差。克服這類誤差的方法，一是確定動態響應誤差，予以修正；二是將動態響應誤差減少到允許要求的范圍之內，此時可認為T測＝T氣。
2.6 短程有序結構變化（K狀態）的影響
K型熱電偶在250－600℃范圍內使用時，由於其顯微結構發生變化，形成短程有序結構，因此將影響熱電勢值而產生誤差，這就是所謂的K狀態。這是Ni-Cr合金特有的晶格變化，當WCr在5%－30%范圍內存在著原子晶格從有序至無序為。由些引起的誤差，因Cr含量及溫度的不同而變化。一般在800℃以上短時間熱處理，其熱電特性即可恢復。由於K狀態的存在，使K型熱電偶檢定規程中明文規定檢定順序：由低溫向高溫逐點升溫檢定。而且在400℃檢定點，不僅傳熱效果不佳，難以達到熱平衡，而且，又恰好處於K狀態誤差最大范圍。因此，對該點判定合格與否時應很慎重。Ni-Cr合金短程有序結構變化現象，不僅存在於K型，而且，在E型熱電偶正極中也有此現象。但是，作為變化量E型熱電偶僅為K型的2/3。總之，K狀態與溫度、時間有關，當溫度分布或熱電偶位置變化時，其偏差也會發生很大變化。故難以對偏差大小作出准確評價。
三、小結
通過對熱電偶原理及誤差來源的總結,對以熱電偶溫度計量誤差情況有了系統認識，得出了一些結論。熱電偶的不穩定性、不均勻性、參考端溫度變化、熱傳導以及熱電偶安裝使用不當會引起測量誤差，有一些是由於加工製造過程中，或是測量系統及儀器本身存在的誤差，還有一些則是人為造成的，對這一部分只要我們細心並對熱電偶的特性有一定的了解則是可以避免的。