熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)原理及冷端溫度補(bǔ)償

摘要:闡述了熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)溫原理,介紹了冷端的溫度補(bǔ)償方法與其基本測(cè)溫線路。
       熱電偶溫度計(jì)是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)的測(cè)溫儀表,測(cè)溫精度高,與顯示儀表配合，可廣泛用來測(cè)量氣.體、蒸汽、液體等介質(zhì)-200℃~1600℃范圍內(nèi)的溫度,特殊情況下可測(cè)-2700℃~2800℃,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,熱慣性小，機(jī)械強(qiáng)度高,耐壓性能好,耐高溫可達(dá)2800℃,抗震性能好,而且便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳送和實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)切換測(cè)量,能自動(dòng)記錄和集中控制,性能穩(wěn)定、測(cè)量精度高、正確可靠、使用壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、裝配簡單、更換方便和使用維護(hù)方便，其測(cè)量范圍廣,也可作為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量,供量值傳遞之用,所以在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，作為測(cè)溫儀表，在建筑環(huán)境與設(shè)備工程中應(yīng)用也非常廣泛。
1熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)溫原理
       熱電偶溫度計(jì)由熱電偶、電測(cè)儀表和連接導(dǎo)線組成,其測(cè)溫原理基于物理學(xué)中熱電效應(yīng)"現(xiàn)象,就是把任意兩種不同的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)連接成閉合回路，如果兩個(gè)接點(diǎn)的溫度不同,在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì),形成熱電流,這就是“熱電效應(yīng)”。熱電偶溫度計(jì)就是利用該原理，把兩種不同的金屬材料--端焊接而成的,焊接的一端叫測(cè)量端(也叫熱端或工作端),未焊接的一-端叫參考端(也叫冷端或自由端)，如果參考端的溫度恒定不變。則熱電勢(shì)的大小和方向就只與這兩種材料的特性和測(cè)量端的溫度有關(guān)，且熱電勢(shì)和溫度之間有一個(gè)固定的函數(shù)關(guān)系,利用這個(gè)關(guān)系，只嬰測(cè)量出熱電勢(shì)的大小，再配以測(cè)量毫伏級(jí)電勢(shì)信號(hào)的儀表或變送器就實(shí)現(xiàn)了溫度的測(cè)量或溫度信號(hào)的變換。

       在進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，將熱電偶熱端插入被測(cè)溫的設(shè)備或管道中,使其熱端感受被測(cè)介質(zhì)的溫度,其冷端置于恒定的溫度之下,并用連接導(dǎo)線連接電氣測(cè)量儀表。
       根據(jù)熱電偶基本定律之一的中間導(dǎo)體定律,在熱電偶回路中接人第三種金屬材料時(shí)，只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同,熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)將保持不變,即不受第三種金屬接人回路中的影響。因此,在熱電偶測(cè)溫時(shí)，可接入測(cè)量儀表,測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)后，即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度。
2熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)的冷端溫度補(bǔ)償方法
       由熱電偶測(cè)溫原理可知,熱電勢(shì)的大小與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。只有當(dāng)熱電偶冷端溫度保持不變時(shí),熱電勢(shì)才是被測(cè)溫度的單值函數(shù)。因此,要正確地測(cè)量溫度,必須使其參考端溫度恒定,熱電偶冷端最好應(yīng)保持0℃,-般固定在0℃,而在現(xiàn)場條件下使用的儀表則難以實(shí)現(xiàn)，因此必須對(duì)其參考端進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正,以確保溫度測(cè)量的正確性。
       工業(yè)上常用的各種熱電倜的溫度一熱電勢(shì)關(guān)系曲線(或數(shù)據(jù))是在冷端溫度為0℃時(shí)得到的,與它配套的儀表也是依據(jù)這--關(guān)系進(jìn)行刻度的。但在實(shí)際應(yīng)用中,其冷端溫度往往高于0℃，且不穩(wěn)定，隨環(huán)境溫度變化而改變,致使熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)偏小并隨之變化,因而造成測(cè)量誤差引人。因此，當(dāng)熱電偶參考端溫度不為0℃,而是一個(gè)波動(dòng)的溫度時(shí),必須采用恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償方法正確修正,一般工業(yè)，上經(jīng)常使用補(bǔ)償校正的方法如下。
2.1補(bǔ)償導(dǎo)線法和計(jì)算校正法兩者相結(jié)合的溫度補(bǔ)償方法
       用補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電倘的熱電極延長到環(huán)境溫度變化較穩(wěn)定的地方,然后按熱電偶中間溫度定律進(jìn)行熱電勢(shì)的修正。
2.2校正儀表機(jī)械霉點(diǎn)法
       當(dāng)熱電偶與動(dòng)圈儀表配套使用時(shí)，如冷端溫度比較恒定,測(cè)量精度要求不高時(shí)，首先必須將儀表的電源及輸人信號(hào)切斷,然后用螺釘旋具將動(dòng)圈儀表的機(jī)械零點(diǎn)指針調(diào)至熱電偶的冷端溫度Tn.這相當(dāng)于在輸入熱電勢(shì)之前就給儀表輸人-一個(gè)補(bǔ)償熱電勢(shì)E(T。,0),這樣，儀表在使用時(shí)所指示的值為:E(T,0℃)=E(T,T.)+E(T,0℃)。即相當(dāng)于把校正值直接加進(jìn)去,這樣,儀表的讀數(shù)就是實(shí)際溫度了。
冷端溫度變化時(shí)需要重新調(diào)整儀表的機(jī)械零點(diǎn),這種方法用于對(duì)測(cè)量精度要求不高的場合,此法適宜冷端溫度穩(wěn)定的場合。
2.3恒溫器法
       將熱電偶的參考端置于電加熱的恒溫器中，使其參考端恒定在某一溫度值。該方法必須采用計(jì)算校正法予以修正。計(jì)算修正法適合于帶計(jì)算機(jī)的測(cè)溫系統(tǒng)。
2.4電橋補(bǔ)償法
       電橋補(bǔ)償法是在熱電偶回路中串接一個(gè)參考端溫度補(bǔ)償器,用來自動(dòng)補(bǔ)償因熱電偶參考端溫度變化對(duì)輸出熱電勢(shì)的影響。
       采用冷端溫度補(bǔ)償器的補(bǔ)償法比其他修正方法方便,其補(bǔ)償精度也能滿足熱工測(cè)量的要求,它是目前廣泛采用的熱電偶溫度補(bǔ)償處理方法。筆者就補(bǔ)償導(dǎo)線法和計(jì)算校正法兩者相結(jié)合的溫度補(bǔ)償方法展開分析討論。所謂補(bǔ)償導(dǎo)線是在一定的溫度范圍內(nèi)(一般為0~100℃),具有與所匹配熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)相同標(biāo)稱值的一對(duì)帶有絕緣層的導(dǎo)線，用于連接熱電偶和測(cè)量顯示儀表裝置,以補(bǔ)償它們與熱電偶連接處的溫度變化所產(chǎn)生的誤差。.
       在使用熱電偶測(cè)溫時(shí),要求其參考端溫度必須保持恒定。由于一般熱電偶長度都比較短,尤其是一些由貴重材料制成的熱電偶,這樣,熱電偶的參考端距離被測(cè)對(duì)象很近,使參考端溫度較高且波動(dòng)很大,而且測(cè)點(diǎn)到控制室室內(nèi)儀表的距離都很遠(yuǎn),為了節(jié)省熱電偶的材料，降低成本，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的冷端(即自由端)延長到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi),連接到電測(cè)儀表的端子上,這種方法可適用于價(jià)格便宜的熱電偶。對(duì)貴重金屬制成的熱電偶則極不經(jīng)濟(jì),同時(shí)熱電偶線也不易敷設(shè)，因?yàn)闊犭娕紖⒖级藴囟榷嗵幱诔?0~100℃)下，補(bǔ)償導(dǎo)線在此溫度范圍內(nèi)具有與熱電偶相同的溫度一熱電勢(shì)關(guān)系,可以起到延長熱電偶的作用,且價(jià)格便宜,宜于敷設(shè),所以,在使用熱電偶測(cè)溫時(shí),要連接補(bǔ)償導(dǎo)線。
       必須指出:熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用,只起延伸熱電極,使熱電偶的冷端移動(dòng)到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對(duì)測(cè)溫的影響，不起補(bǔ)償作用,因此還需根據(jù)熱電偶中間溫度定律進(jìn)行熱電勢(shì)的修正，即用計(jì)算校正法來補(bǔ)償冷端溫度不為0℃時(shí)對(duì)測(cè)溫的影響。必須注意:使用補(bǔ)償導(dǎo)線法時(shí),就必須使用計(jì)算校正法,對(duì)儀表的指示值加以修正,熱電偶冷端補(bǔ)償計(jì)算校正方法如下。
從毫伏到溫度:測(cè)量冷端溫度,換算為對(duì)應(yīng)毫伏值，與熱電偶的毫伏值相加,求出總熱電動(dòng)勢(shì),反查熱電偶分度表來求出被測(cè)溫度值;前面所說的相加是熱電勢(shì)的相加,而不是簡單的溫度相加。從溫度到亳伏:測(cè)量出實(shí)際溫度與冷端溫度,分別換算為毫伏值，相減后得出毫伏值,即得溫度值。例如:用K分度(鎳鉻一鎳硅)熱電偶測(cè)溫,熱電偶的冷端溫度T,=30℃，測(cè)得冷端為30℃時(shí)的熱電勢(shì)E(T,T。)=40,347mV,由熱電偶分度表查得熱端30°C、冷端0C時(shí)熱電勢(shì)E(Tn,0℃)=1.203mV,則:E(T,0℃)=E(T,T.)+E(T.,0°C)=40.347+1.203-41.55(mV),同樣由分度表查得熱端(測(cè)量端)溫度T=1010°C。又例如:某標(biāo)準(zhǔn)s分度(鉑銠10--鉑)熱電偶在900℃時(shí)的熱電勢(shì)為8.41mV,當(dāng)測(cè)得熱電勢(shì)為8.338mV,冷端溫度為0℃時(shí)，此時(shí)熱端(測(cè)量端)實(shí)際溫度為多少?首先查分度表得S分度(鉑銠10一鉑)熱電偶900℃時(shí)的熱電勢(shì)為8.448mV,在900℃附近,測(cè)量值與分度表的偏差是△E=8.41-8.448=-0.038mV,測(cè)量值實(shí)際熱電勢(shì)E=8.338-(-0.038)=8.376(mV)。查分度表得到與8.376mV對(duì)應(yīng)的溫度值為893.5℃，就是熱端的實(shí)際溫度值。
       由此可見,使用補(bǔ)償導(dǎo)線與計(jì)算校正法,需多次查對(duì)應(yīng)熱電偶的分度表并計(jì)算,因此它只適用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)溫,對(duì)于現(xiàn)場的直讀式儀表測(cè)溫,用該方法補(bǔ)償是很不方便的,如果精度要求不高時(shí)，可用校正儀表的機(jī)器零點(diǎn)法或電橋補(bǔ)償法或恒溫器法。
3熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)的實(shí)用測(cè)溫線路及顯示儀表
3.1工業(yè)用熱電偶單點(diǎn)測(cè)溫的基本線路
       如圖2所示,熱電偶測(cè)溫線路由熱電偶組件、顯示儀表及中間連接部分(熱電轉(zhuǎn)換器、補(bǔ)償導(dǎo)線、銅導(dǎo)線等)組成。在連接時(shí),除了同種導(dǎo)線的接點(diǎn)外，還必須注意熱電偶冷端和補(bǔ)償導(dǎo)線接點(diǎn)的兩個(gè)端子應(yīng)分別保持在同--溫度下，否則將引起測(cè)溫誤差。

3.2工業(yè)用熱電偶測(cè)量多點(diǎn)溫度的基本線路
       如圖3所示,用同型號(hào)的多只熱電偶進(jìn)行多點(diǎn)溫度測(cè)量時(shí),共用一臺(tái)顯示儀表和一-只實(shí)現(xiàn)冷端溫度補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償熱電偶。為了節(jié)省補(bǔ)償導(dǎo)線,這組同型號(hào)的熱電偶經(jīng)過比較短的補(bǔ)償導(dǎo)線分別引到感受環(huán)境溫度、但本身溫度分布又比較均勻的接線板上，再用導(dǎo)線依次接到切換開關(guān)上,由切換開關(guān)最后接到顯示儀表上去。用補(bǔ)償導(dǎo)線做成的補(bǔ)償熱電偶反向串接在儀表回路中,補(bǔ)償熱電偶的冷端在接線板上,熱端維持恒溫T。,這樣,不論切換開關(guān)把哪一個(gè)熱電偶接到顯示儀表上，只要保證熱電偶相同,都可得到上述結(jié)果。多點(diǎn)測(cè)量電路常用于自動(dòng)巡回檢測(cè)中,測(cè)量點(diǎn)可多達(dá)幾十個(gè)。