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摘 要： 热电偶及其温度表是热工测量中常用的电测仪表，其测量结果准确性，往往受检验人员技术水平、测量装置和测量方法的影响，每一个因素都起了决定性的作用。因此，我们要从热电偶的工作原理、热电偶的基本定律、热电偶的冷端温度补偿中，提出切实可行的教育教学之提高热工测量准确度之热电偶校验的调整方案，认识影响热电偶校验准确度的因素，进而选用科学的方法，合理的校验项目和手段，以及校验主要设备和仪器的选用，对测量结果进行误差分析和处理，从而获得较高的测量准确度。
关键词： 准确度；K型热电偶；校验
【中图分类号】 F407.61
【文献标识码】 B
【文章编号】 2236-1879（2017）11-0204-02
在计量范畴，不同的科技和生产领域，有不同的测量项目及测量特点，热工测量是指在热工过程中对各种热工参数的测量，包括温度、压力、流量、物位等热工参数的测量。热工测量仪表在测量时，在大多数情况下，不能直接测量参数，一般总是借助于一些物质的物理、化学性质的关联性把测量参数转变为其他方便测量的相关量，以便间接测量出被测参数的大小和數值。热电偶温度表是在热工测量中应用最广泛的一种温度电测仪表，通常是由热电偶、热电偶冷端温度补偿（或元件）和显示仪表三部分组成。三者之间要用导线连接起来，完成温度的测量。
下面以K型热电偶温度表为例，说明在温度测量中，应采取什么措施来保证测量结果的准确度。
1 K型热电偶温度的特性
K型热电偶温度表是以热电效应为基础的测温仪表。K型热电偶丝直径一般为1.2～4.0mm。正极（KP）的名义化学成分为：Ni：Cr=90：10，负极（KN）的名义化学成分为：Ni：Si=97：3，其测量温度为-200～1300℃。它的特点是：结构简单，使用方便，测量范围广，测温准确可靠，便于信号的远传、自动记录和集中控制，因而在工业生产和科研领域中应用极为普遍。
K型热电偶具有灵敏度高，稳定性和均匀性较好，线性度好，热电动势较大，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中，广泛为用户所采用。
2 K型热电偶的测温原理
2.1 热电效应。
K型热电偶的测温原理是基于热电效应，即是通过把两根不同的导体或半导体线状材料A和B组成一闭合回路，闭合回路中有两个结点，测量时分别置于不同的温度场中，回路中就会产生一个电势，该电势的方向和大小与导体的材料及两个结点的温度有关，也称“塞贝克效应”。
两种导体组成的闭合回路称为“热电偶”；两条线状导体 A、B就称为热电极，或称为热电偶丝， 产生的电势称为“热电势”； 热电偶的两个结点分别是工作端和自由端： 其中测量时置于被测温度为t处的一个焊接结点，习惯上称为工作端或热端； 另一个结点测量时置于被测对象之外为to的环境中称为自由端或冷端，。热电势则是由两部分组成，一部分是两种导体的接触电势，另一部分是单一导体的温差热电势。
2.2 K型热电偶测温中遵循的几个基本定律。
在测量温度时，热电偶回路中必然要引入測量热电势的显示仪表和连接导线， 这些都会影响到热电势的大小，因此，为了实际测温中避免这一问题，通过不断的实验室校验操作，总结了热电偶测量中，必须要引入的几个基本定律。
2.2.1 均质导体定律。若热电偶两个热电极由同一种均质导体组成闭合回路，不论其几何尺寸和结点的温度分布如何，都不会产生热电势，即热电势为零。由此可进行热电极材料均匀性的检查。
2.2.2 中间导体定律。
在由不同材料组成的热电偶闭合回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两结点温度相同，则热电偶的热电势不变，即回路中热电势的总和等于零。
2.2.3 中间温度定律。
两种不同材料组成的热电偶回路中，在两结点的温度分别为t、to时的热电势等于该热电偶在结点温度为t、tn和tn、to时相应热电势的代数和。
中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据，也为制定和使用热电偶分度表奠定了理论基础。
3 保证K型热电偶测量准确度的两个关健性问题
从热电效应的原理可知，热电偶产生的热电势与两端温度有关。只有当冷端的温度恒定，热电势才是热端温度的单值函数。热电偶分度表由于是以冷端温度为0℃时做出的，因此，在使用时为了要正确反映热端温度，最好设法使冷端温度恒定为0℃。但在实际测量中，热电偶的冷端通常靠近被测介质，又暴露在空气中，其温度容易受到周围环境温度波动的影响，不是恒定不变的，因而，要保持冷端温度恒定，就要消除冷端温度变化时对测量的影响，必须采取一些相应的措施进行补偿或修正，实验室校验中常用到的方法有：冷端恒温法和补偿导线法。
3.1 制作恒温装置，保证K型热电偶的冷端恒温
3.1.1 冷端恒温法。冷端恒温法是人为制作的一个0℃的恒温装置，常用的恒温装置有冰点槽和电热式恒温箱两种。冰点槽由热电偶、补偿导线、铜导线、显示仪表、冰点器、冰水混合物、变压器油及试管组成。测量时的操作是：把热电偶的两个冷端放在充满冰水混合物的容器内，使冷端温度始终保持在0℃。两支热电极的冷端为了防止短路和改善传热条件，分别插在盛有变压器油的试管中。这种装置和校验方法，使得测量准确度提高。
3.2 选用合适的补偿导线，对K型热电偶冷端进行温度补偿
3.2.1 补偿导线法。什么是补偿导线？热电偶校验中，特别是贵金属热电偶，相对来说会比较短，其冷端离被测介质很近，这就使冷端温度较高且波动也大，为了减小冷端温度变化对热电势的影响，通常要用与热电偶的热电特性相近的廉价金属导线将热电偶冷端移到远离被测介质，到温度较稳定的地方。因此，补偿导线实际上是一对材料化学成分不同的导线，在0～1500℃温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，价格相对要便宜。 3.2.2 补偿导线的选用。
补偿导线起到了延长热电偶的作用，即是将热电偶冷端移动到温度相对稳定的地方，但本身并不能消除冷端温度变化的影响。只有当冷端温度恒定时，产生的热电势才与热端温度成单值函数关系。因此在校验实验中，不能使用一般的铜导线传送热电偶信号，同时对不同分度号的热电偶，采用的补偿导线也不同。
3.2.3 使用补偿导线要注意的问题。
在做校验实验设计时，根据中间温度定律，只要热电偶和补偿导线的两个结点温度一致，是不会影响热电势输出的。因此，使用补偿导线必须注意以下三个问题：
一、两根补偿导线与两个热电极的接点温度不能超过100℃且必须具有相同的温度；
二、只能与相应型号的热电偶配用，而且必须满足工作范围；
三、极性切勿接反，常用热电偶补偿导线。
4 K型热电偶校验的实验整体设计调整方案
K型热电偶校验的项目主要包括外观检查和允许误差检验两项。
4.1 热电偶装配质量和外观质量的校验方法和步骤。
外观的质量检验，主要是通过目力进行观察；热电偶热电极是否短路或断路，可使用万用表检查。检验结果必须符合：测量端焊接点（结点）应光滑、牢固、无气孔和夹灰等缺陷，无残留助焊剂等污物；感受部件、传输变换部件及显示部件等各部分之间装配正确，连接可靠，零件无损、缺；保护管外层无显著的锈蚀和凹痕、划痕；热电极无短路、断路、极性标志正确。
4.2 允许误差校验的方法和步骤
4.2.1 校验方法：比较法。即将被检热电偶与比它准确度等级高一等的标准热电偶，同置于检定用的恒温装置中，在检验点温度下进行热电势比较。这种方法的检验准确度取决于标准热电偶的准确度等级、测量仪器仪表的误差、恒温装置的温度均匀性和稳定程度。
4.2.2 正确选择校验点，保证测量准确度。
如何选择校验点，也是提高测量准确度的途径。一般地，校验刻度点的选取方法是：尽量选取被校表上的整数刻度点，包括零点和满刻度点，不少于5个刻度点。校验点应基本均勻分布于被校仪表的整个量程范围。如有常用的温度点或温度段，应选择其做为校验点。各校验点的误差不得超过该仪表准确度等级规定的允许误差。
4.2.3 正确读取校验点的测量值，保证测量准确度。
当温度升至第一个校验点时，且炉温在5min内温度变化不大于2℃时即可读数，应不少于5个校验点。读数的顺序依次是：
标准→被检1→被检2→……→被检n→……→被检2→被检1→标准
然后求取电动势平均值，并查分度表。最后通过比较得出被校热电偶在各校验温度点上的温度误差。正确的读数方法，对测量结果的准确度起到了至关重要的决定性作用。
4.2.4 提高热电偶测量准确度校验项目的具体实施
4.2.4.1 允许误差的计算。
通过DTZ-01型热电偶热电阻自动检定系统，对每个校验点做不少于5次的测量，得出温度平均值，从热电偶的分度号查分度表，得出相应的热电势值，并对其进行数据处理和误差分析，通过比对，若计算值符合允许误差的要求，为合格；大于允许误差，则认为不合格。
4.2.4.2 采用DTZ-01型热电偶热电阻自动检定系统设计，提高测量结果的准确度。
DTZ—01型热电偶热电阻自动检定系统功能与热核指标完全符合相关国家检定规程并执行ITS—90国际温标。该系统是集计算机技术、电子技术、自动测试技术于一体的自动化检定设备。该系统主要用于一次、二次温度仪表的自动检定∕校准。该系统由计算控制多通道低电势扫描器、数字万用表、热电偶检定炉、恒温槽等设备，实现一次、二次温度仪表检定∕校准过程中的控温、数据采集、数据处理、报表生成、数据存储以及打印的完全自动化。
5 结语
测量中，测量误差主要来自几个方面，即测量工具、测量环境、测量人员。所以为保证测量的准确度，要求：测量时采用高精度的儀器；多次测量求平均值；在操作中尽量减小误差。在调整方案中使用自动检定系统，不失为提高测量准确度的好手段。校验实验中，DTZ-01热电偶热电阻自动检验系统，通过温度显示器采集检定炉的温度，并通过转换技术驱动显示出来；自动检验系统降低了操作者的操作强度，提高检验的工作质量，确保检验结果的准确度，实现自动控温、自动检验、自动数据处理、自动打印检定结果，避免了人为操作的失误，提高了测量结果准确度。
参考文献
[1]吕崇德.热工参数测量与处理（第二版）。清华大学出版社。2009
[2]潘汪杰.文群英.《热工测量及仪表》（第三版）.中国电力出版社出版，2015
[3]文群英.李忠献.火电厂热工检测与自动控制技术（第一版）.中国中电力出版社出版，2016
作者简介：许健红，女，广西南宁，本科，教师，从事《热工测量及仪表》专业课的教育教学工作。
关键词： 准确度；K型热电偶；校验
【中图分类号】 F407.61
【文献标识码】 B
【文章编号】 2236-1879（2017）11-0204-02
在计量范畴，不同的科技和生产领域，有不同的测量项目及测量特点，热工测量是指在热工过程中对各种热工参数的测量，包括温度、压力、流量、物位等热工参数的测量。热工测量仪表在测量时，在大多数情况下，不能直接测量参数，一般总是借助于一些物质的物理、化学性质的关联性把测量参数转变为其他方便测量的相关量，以便间接测量出被测参数的大小和數值。热电偶温度表是在热工测量中应用最广泛的一种温度电测仪表，通常是由热电偶、热电偶冷端温度补偿（或元件）和显示仪表三部分组成。三者之间要用导线连接起来，完成温度的测量。
下面以K型热电偶温度表为例，说明在温度测量中，应采取什么措施来保证测量结果的准确度。
1 K型热电偶温度的特性
K型热电偶温度表是以热电效应为基础的测温仪表。K型热电偶丝直径一般为1.2～4.0mm。正极（KP）的名义化学成分为：Ni：Cr=90：10，负极（KN）的名义化学成分为：Ni：Si=97：3，其测量温度为-200～1300℃。它的特点是：结构简单，使用方便，测量范围广，测温准确可靠，便于信号的远传、自动记录和集中控制，因而在工业生产和科研领域中应用极为普遍。
K型热电偶具有灵敏度高，稳定性和均匀性较好，线性度好，热电动势较大，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中，广泛为用户所采用。
2 K型热电偶的测温原理
2.1 热电效应。
K型热电偶的测温原理是基于热电效应，即是通过把两根不同的导体或半导体线状材料A和B组成一闭合回路，闭合回路中有两个结点，测量时分别置于不同的温度场中，回路中就会产生一个电势，该电势的方向和大小与导体的材料及两个结点的温度有关，也称“塞贝克效应”。
两种导体组成的闭合回路称为“热电偶”；两条线状导体 A、B就称为热电极，或称为热电偶丝， 产生的电势称为“热电势”； 热电偶的两个结点分别是工作端和自由端： 其中测量时置于被测温度为t处的一个焊接结点，习惯上称为工作端或热端； 另一个结点测量时置于被测对象之外为to的环境中称为自由端或冷端，。热电势则是由两部分组成，一部分是两种导体的接触电势，另一部分是单一导体的温差热电势。
2.2 K型热电偶测温中遵循的几个基本定律。
在测量温度时，热电偶回路中必然要引入測量热电势的显示仪表和连接导线， 这些都会影响到热电势的大小，因此，为了实际测温中避免这一问题，通过不断的实验室校验操作，总结了热电偶测量中，必须要引入的几个基本定律。
2.2.1 均质导体定律。若热电偶两个热电极由同一种均质导体组成闭合回路，不论其几何尺寸和结点的温度分布如何，都不会产生热电势，即热电势为零。由此可进行热电极材料均匀性的检查。
2.2.2 中间导体定律。
在由不同材料组成的热电偶闭合回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两结点温度相同，则热电偶的热电势不变，即回路中热电势的总和等于零。
2.2.3 中间温度定律。
两种不同材料组成的热电偶回路中，在两结点的温度分别为t、to时的热电势等于该热电偶在结点温度为t、tn和tn、to时相应热电势的代数和。
中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据，也为制定和使用热电偶分度表奠定了理论基础。
3 保证K型热电偶测量准确度的两个关健性问题
从热电效应的原理可知，热电偶产生的热电势与两端温度有关。只有当冷端的温度恒定，热电势才是热端温度的单值函数。热电偶分度表由于是以冷端温度为0℃时做出的，因此，在使用时为了要正确反映热端温度，最好设法使冷端温度恒定为0℃。但在实际测量中，热电偶的冷端通常靠近被测介质，又暴露在空气中，其温度容易受到周围环境温度波动的影响，不是恒定不变的，因而，要保持冷端温度恒定，就要消除冷端温度变化时对测量的影响，必须采取一些相应的措施进行补偿或修正，实验室校验中常用到的方法有：冷端恒温法和补偿导线法。
3.1 制作恒温装置，保证K型热电偶的冷端恒温
3.1.1 冷端恒温法。冷端恒温法是人为制作的一个0℃的恒温装置，常用的恒温装置有冰点槽和电热式恒温箱两种。冰点槽由热电偶、补偿导线、铜导线、显示仪表、冰点器、冰水混合物、变压器油及试管组成。测量时的操作是：把热电偶的两个冷端放在充满冰水混合物的容器内，使冷端温度始终保持在0℃。两支热电极的冷端为了防止短路和改善传热条件，分别插在盛有变压器油的试管中。这种装置和校验方法，使得测量准确度提高。
3.2 选用合适的补偿导线，对K型热电偶冷端进行温度补偿
3.2.1 补偿导线法。什么是补偿导线？热电偶校验中，特别是贵金属热电偶，相对来说会比较短，其冷端离被测介质很近，这就使冷端温度较高且波动也大，为了减小冷端温度变化对热电势的影响，通常要用与热电偶的热电特性相近的廉价金属导线将热电偶冷端移到远离被测介质，到温度较稳定的地方。因此，补偿导线实际上是一对材料化学成分不同的导线，在0～1500℃温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，价格相对要便宜。 3.2.2 补偿导线的选用。
补偿导线起到了延长热电偶的作用，即是将热电偶冷端移动到温度相对稳定的地方，但本身并不能消除冷端温度变化的影响。只有当冷端温度恒定时，产生的热电势才与热端温度成单值函数关系。因此在校验实验中，不能使用一般的铜导线传送热电偶信号，同时对不同分度号的热电偶，采用的补偿导线也不同。
3.2.3 使用补偿导线要注意的问题。
在做校验实验设计时，根据中间温度定律，只要热电偶和补偿导线的两个结点温度一致，是不会影响热电势输出的。因此，使用补偿导线必须注意以下三个问题：
一、两根补偿导线与两个热电极的接点温度不能超过100℃且必须具有相同的温度；
二、只能与相应型号的热电偶配用，而且必须满足工作范围；
三、极性切勿接反，常用热电偶补偿导线。
4 K型热电偶校验的实验整体设计调整方案
K型热电偶校验的项目主要包括外观检查和允许误差检验两项。
4.1 热电偶装配质量和外观质量的校验方法和步骤。
外观的质量检验，主要是通过目力进行观察；热电偶热电极是否短路或断路，可使用万用表检查。检验结果必须符合：测量端焊接点（结点）应光滑、牢固、无气孔和夹灰等缺陷，无残留助焊剂等污物；感受部件、传输变换部件及显示部件等各部分之间装配正确，连接可靠，零件无损、缺；保护管外层无显著的锈蚀和凹痕、划痕；热电极无短路、断路、极性标志正确。
4.2 允许误差校验的方法和步骤
4.2.1 校验方法：比较法。即将被检热电偶与比它准确度等级高一等的标准热电偶，同置于检定用的恒温装置中，在检验点温度下进行热电势比较。这种方法的检验准确度取决于标准热电偶的准确度等级、测量仪器仪表的误差、恒温装置的温度均匀性和稳定程度。
4.2.2 正确选择校验点，保证测量准确度。
如何选择校验点，也是提高测量准确度的途径。一般地，校验刻度点的选取方法是：尽量选取被校表上的整数刻度点，包括零点和满刻度点，不少于5个刻度点。校验点应基本均勻分布于被校仪表的整个量程范围。如有常用的温度点或温度段，应选择其做为校验点。各校验点的误差不得超过该仪表准确度等级规定的允许误差。
4.2.3 正确读取校验点的测量值，保证测量准确度。
当温度升至第一个校验点时，且炉温在5min内温度变化不大于2℃时即可读数，应不少于5个校验点。读数的顺序依次是：
标准→被检1→被检2→……→被检n→……→被检2→被检1→标准
然后求取电动势平均值，并查分度表。最后通过比较得出被校热电偶在各校验温度点上的温度误差。正确的读数方法，对测量结果的准确度起到了至关重要的决定性作用。
4.2.4 提高热电偶测量准确度校验项目的具体实施
4.2.4.1 允许误差的计算。
通过DTZ-01型热电偶热电阻自动检定系统，对每个校验点做不少于5次的测量，得出温度平均值，从热电偶的分度号查分度表，得出相应的热电势值，并对其进行数据处理和误差分析，通过比对，若计算值符合允许误差的要求，为合格；大于允许误差，则认为不合格。
4.2.4.2 采用DTZ-01型热电偶热电阻自动检定系统设计，提高测量结果的准确度。
DTZ—01型热电偶热电阻自动检定系统功能与热核指标完全符合相关国家检定规程并执行ITS—90国际温标。该系统是集计算机技术、电子技术、自动测试技术于一体的自动化检定设备。该系统主要用于一次、二次温度仪表的自动检定∕校准。该系统由计算控制多通道低电势扫描器、数字万用表、热电偶检定炉、恒温槽等设备，实现一次、二次温度仪表检定∕校准过程中的控温、数据采集、数据处理、报表生成、数据存储以及打印的完全自动化。
5 结语
测量中，测量误差主要来自几个方面，即测量工具、测量环境、测量人员。所以为保证测量的准确度，要求：测量时采用高精度的儀器；多次测量求平均值；在操作中尽量减小误差。在调整方案中使用自动检定系统，不失为提高测量准确度的好手段。校验实验中，DTZ-01热电偶热电阻自动检验系统，通过温度显示器采集检定炉的温度，并通过转换技术驱动显示出来；自动检验系统降低了操作者的操作强度，提高检验的工作质量，确保检验结果的准确度，实现自动控温、自动检验、自动数据处理、自动打印检定结果，避免了人为操作的失误，提高了测量结果准确度。
参考文献
[1]吕崇德.热工参数测量与处理（第二版）。清华大学出版社。2009
[2]潘汪杰.文群英.《热工测量及仪表》（第三版）.中国电力出版社出版，2015
[3]文群英.李忠献.火电厂热工检测与自动控制技术（第一版）.中国中电力出版社出版，2016
作者简介：许健红，女，广西南宁，本科，教师，从事《热工测量及仪表》专业课的教育教学工作。