熱電偶測溫測量儀表綜述

王思佳

摘 要：在工業(yè)生產(chǎn)中測溫儀器有很多，而熱電偶測溫儀表是其中的一種。它是由兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體的兩端分別焊接或絞接在一起，形成一個閉合回路，利用兩點(diǎn)的溫度差來產(chǎn)生電動勢工作的。熱電偶的品種很多，各種分類方法也不盡相同，按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的要求可以分為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶兩種。熱電偶是熱電效應(yīng)理論的具體應(yīng)用之一，在溫度測量中有廣泛的應(yīng)用，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、容易構(gòu)造等優(yōu)點(diǎn)。熱電偶通過與顯示儀表配合使用，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量、自動記錄、溫度自動控制等。

關(guān)鍵詞：熱電偶；溫差；熱電動勢；熱電效應(yīng)

1.測溫儀表及熱電偶測溫的種類

根據(jù)熱電偶的用途、安裝方法和結(jié)構(gòu)形式的不同，熱電偶可以分為普通型熱電偶、鎧裝熱電偶兩大類。而常用熱電偶按熱電偶的分度號有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等幾種。S分度號的特點(diǎn)是抗氧化性能強(qiáng)，宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用，長期使用溫度1400℃，短期1600℃。在所有熱電偶中，S分度號的精確度等級最高，通常用作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶；R分度號與S分度號相比除熱電動勢大15%左右，其它性能幾乎完全相同；B分度號在室溫下熱電動勢極小，故在測量時一般不用補(bǔ)償導(dǎo)線。它的長期使用溫度為1600℃，短期1800℃?？稍谘趸曰蛑行詺夥罩惺褂茫部稍谡婵諚l件下短期使用。N分度號的特點(diǎn)是1300℃下高溫抗氧化能力強(qiáng)，熱電動勢的長期穩(wěn)定性及短期熱循環(huán)的復(fù)現(xiàn)性好，耐核輻照及耐低溫性能也好，可以部分代替S分度號熱電偶。

2.熱電偶測溫的基本原理

熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在熱電動勢，其原理圖如圖1。

而之所以會產(chǎn)生熱電動勢是由于不同的導(dǎo)體材料的電子密度不同，即使相同的導(dǎo)體材料，溫度不同，其電子密度也不相同，當(dāng)異質(zhì)金屬A、B組成閉合回路，由于接點(diǎn)a、b的溫度不同，則同一導(dǎo)體溫度高的地方自由電子密度大，溫度低的地方自由電子密度小，所以在閉合回路中，自由電子密度大的要向自由電子密度小的區(qū)域擴(kuò)散，這樣在回路中就產(chǎn)生了“凈”電荷流動，即回路中有電動勢eAB，這就是產(chǎn)生塞貝克電動勢原因。當(dāng)熱電極材料一定后，則熱電動勢僅與兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。一對異質(zhì)金屬A、B組成的閉合回路中，如果對接點(diǎn)a加熱，那么，a、b兩接點(diǎn)的溫度就會不同，溫度不同，就會有電流產(chǎn)生，使得接在電路中的電流表發(fā)生偏轉(zhuǎn)，它在熱電偶回路中產(chǎn)生的電流稱為熱電流。A、B稱為熱電極，接點(diǎn)a是用焊接的方法連接一起的，測溫時，將它置于被測溫度場中，稱為測量端或者工作端，接點(diǎn)b一般要求恒定在某一溫度稱為參考端或自由端。

熱電勢的大小與t和t0之差的大小有關(guān).當(dāng)熱電偶的兩個熱電極材料已知時，由熱電偶回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(dāng)工作端的被測介質(zhì)溫度發(fā)生變化時，熱電勢隨之發(fā)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(jìn)行指示或記錄，或送入微機(jī)進(jìn)行處理，即可獲得測量端溫度t值。

圖1 熱電偶測溫原理圖

3.熱電偶測溫的主要優(yōu)缺點(diǎn)

熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一，其優(yōu)點(diǎn)有：

①測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。

②測量范圍廣。常用的熱電偶從-50～+1600℃均可連續(xù)測量，某些特殊電偶最低可測到-271--+2800℃如金鐵鎳鉻和鎢-錸。

③構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。

4.熱電偶測溫國內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

熱電偶主要用于測量較高溫度，關(guān)于我國高溫?zé)犭娕及l(fā)展現(xiàn)狀，高溫?zé)犭娕家话阒?300度以上的，有鉑銠10-鉑熱電偶，鉑銠13-鉑熱電偶，碳化硅-石墨等等。 目前來講，接觸式測溫?zé)犭娕际亲羁煽康臏y溫方式，除了真空、中頻、高頻區(qū)域不適合熱電偶測溫量而采用光學(xué)高溫計、紅外線測溫儀外，基本上沒有其他什么材料、技術(shù)可以替代它。

5.結(jié)論

熱電偶雖然廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，但是也有它的不足，如果使用不當(dāng)會帶來較大的誤差，因此如何正確使用熱電偶和最大程度的減小其誤差成為了關(guān)鍵問題。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(chǎn)生較大誤差，在這種情況下，我們通常采用熱電勢補(bǔ)正法、調(diào)儀表起始點(diǎn)法、補(bǔ)償導(dǎo)線、參考端溫度補(bǔ)償器來減小誤差。因此，使用好熱電偶時注意各個方面的影響并把它的主要誤差減小到最低程度，才能比較準(zhǔn)確地測出符合工業(yè)現(xiàn)場的量值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫奎明.熱工自動化[M].北京：中國電力出版社，2005.

[2] 葉江祺.熱工儀表和控制裝置的安裝[M].北京：中國電力出版社，200endprint