淺談熱電偶溫度計在工控測溫中的應(yīng)用

      熱電偶溫度計它擔(dān)負(fù)著對生產(chǎn)過程的檢測和控制,是保證生產(chǎn)連續(xù)、高效、安全和無熱污染運(yùn)行的關(guān)鍵。熱電偶的測溫范圍廣,可以在1K至2800℃的范圍內(nèi)使用,精度高,性能穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)簡單,動態(tài)特性好，由溫度轉(zhuǎn)換的電信號便于處理和遠(yuǎn)傳,在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)和能源節(jié)約中發(fā)揮著重要作用。
一、測溫原理
      由兩種不同的金屬A和B構(gòu)成一個閉合回路，當(dāng)兩個接觸端的溫度不同即T> T0時，回路中會產(chǎn)生熱電勢E。約定T端為熱端、工作端或測量端,T0端為冷端、自由端或參比端,A和B稱為熱電極,電勢E的大小是由接觸電勢和溫差電勢所決定的。
      兩種不同金屬接觸產(chǎn)生接觸電動勢:由于金屬導(dǎo)體材料不同,金屬導(dǎo)體內(nèi)部的自由電子密度也不同,當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體A和B接觸時，自由電子就會從密度大的導(dǎo)體擴(kuò)散到密度小的導(dǎo)體中去,從面產(chǎn)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。若A導(dǎo)體的自由密度比B導(dǎo)體的自由密度大,將會有較多的自由電子從A導(dǎo)體擴(kuò)散到B導(dǎo)體中，直到兩導(dǎo)體電子密度達(dá)到平衡,這樣導(dǎo)體A因失去電子帶上正電荷，而導(dǎo)體B得到電子帶上負(fù)電荷,這樣A和B接觸點就形成- -定的電位差，我們稱之為接觸電勢。
在同一導(dǎo)體中，當(dāng)導(dǎo)體兩端的溫度不同即T>T0時,兩端電子能量就不同,溫度高的一端電子能量大,電子就會從高溫端擴(kuò)散到低溫端，最后達(dá)到一個電子密度平衡,這樣導(dǎo)體的兩端形成一定的電位差稱之為溫差電勢。
二、熱電偶的定則
1.導(dǎo)體均質(zhì)。由一種均質(zhì)導(dǎo)體所組成的閉合回路,熱電勢不受導(dǎo)體的截面積和各處的溫度影響。
2.中間導(dǎo)體溫度相等。在熱電偶回路中接人的中間導(dǎo)體兩端溫度相等,對回路總電動勢沒有影響。
3.連接導(dǎo)線。在熱電偶回路中，使用與熱電偶特性相同
的導(dǎo)線,可以延長熱電偶的參比端,不影響測溫的正確性。
4.中間溫度。處理參考端不等于0 C時的定則,當(dāng)導(dǎo)體A和B的延長線材料分別相同,所處溫度有T.Tn .T0,其中Tn為延長導(dǎo)線的溫度,熱電偶總的熱電勢為E(T,Tn,T0)=E(T,Tn) + E(Tn,T0)
三.、熱電偶的冷端處理與補(bǔ)償
      熱電偶的熱電勢不僅與工作端溫度T有關(guān),還與參比端T0有關(guān),只有固定參比端溫度,才會通過熱電勢的大小來判斷熱點溫度的高低,若參比端溫度波動較大時,就需要使用補(bǔ)償導(dǎo)線將冷端延長到一個溫度相對穩(wěn)定的地方,然后處理冷端。
1.補(bǔ)償導(dǎo)線法。熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線一般是由補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲、絕緣層、保護(hù)套和屏蔽層組成,在100℃以下的常溫范圍，補(bǔ)償導(dǎo)線具有與所匹配的熱電偶的熱電勢標(biāo)稱值相同的特性,用它連接熱電偶可以延長熱電偶的參比端。補(bǔ)償導(dǎo)線分延長型導(dǎo)線和補(bǔ)償型導(dǎo)線兩種。其優(yōu)點是提高線路的繞性,布線接線方便,同時可以調(diào)節(jié)小路電阻和屏蔽外界的干擾,最主要是降低了線路成本。
補(bǔ)償導(dǎo)線選接原則:同種補(bǔ)償導(dǎo)線配同種熱電偶;補(bǔ)償導(dǎo)線的正負(fù)極按顏色接正確;補(bǔ)償導(dǎo)線使用長度要在15米以內(nèi),以增強(qiáng)抗干擾性。
2.計算修正法。在生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)用中,熱電偶的參比端延長后,周圍環(huán)境溫度往往不是設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)溫度,這時測量出來的回路熱電勢要小于實際值,所以在計算時需要加上環(huán)境溫度Tn與參考端溫度TO(T0=0℃)之間溫差所產(chǎn)生的熱電勢,這樣才能符合熱電偶的分度表的要求。由連接導(dǎo)體和中間溫度定則，可以正確計算出被測溫度T。Tn可以輻射測溫儀測出或室內(nèi)溫度計測量周圍環(huán)境溫度。
3.冷端補(bǔ)償器法。冷端補(bǔ)償器是-一個直流不平衡電橋,在它的四個橋臂中有一個是銅電阻作為測溫元件，其他三個臂由阻值恒定的錳銅電阻制。Reu在0℃下的電阻值和其他三個橋臂R1,R2, R3完全相等,使電橋處于平衡狀態(tài),當(dāng)冷端T0>0℃時, 回路熱電勢將會減小，這是由于Reu增大,使電橋不平衡。若限流電阻R選擇合適,可使被測增大值恰好等于回路熱電勢減小值，避免T0的變化帶來的影響，這樣就把冷端置于0℃,完成熱電偶冷端處理和補(bǔ)償功能。
4.軟件修正法。采用這種方法需要將熱電勢信號通過補(bǔ)償導(dǎo)線與采集卡.上的輸人端子連接起來，并接人熱敏電阻。在信號采集卡驅(qū)動程序的支持下,計算機(jī)每次掃描時采集熱電偶電動勢和熱敏電阻信號，根據(jù)熱敏電阻信號計算出E(Tn,0)值,再由中間溫度定則計算出E(T,0)值這樣就可以得到正確的溫度T值。
四、工程測量校驗與應(yīng)用
      在高爐的熱電偶測量點應(yīng)用中，溫度變送器所處的參比端環(huán)境溫度為30℃,選用K型熱電偶測溫,測得參比端處的熱電勢為24.9mV,校驗被測點實際溫度,檢驗溫度變送器工作情況。
根據(jù)連接導(dǎo)體和中間溫度定則有:
E(T,0)=E(T，30)+E(30,0)
因為E(30,0)=1.203 mV
E(T,30)=24.90 mV
所以E(T,0)=24.9+ 1.203=26.103 mV
      反查K分度表，得知被測點實際溫度是T-628.3 ℃,若儀表顯示的溫度與計算后的數(shù)值相差較大,需要進(jìn)一步檢查現(xiàn)場儀表。
五、結(jié)語
      熱電偶測量的是點溫度,精度較高,工業(yè)中它與溫度變送器連接，轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行遠(yuǎn)傳，實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動控制,從而廣泛應(yīng)用于工控自動化中，在過程檢測和控制中起著重要作用。