關(guān)于熱電偶溫度計(jì)量問題的探討

孫巖

【摘 要】本文基于熱電偶測(cè)溫原理，對(duì)熱電偶的分類進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。同時(shí)對(duì)溫度計(jì)量中使用的熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，提到在對(duì)熱電偶進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)時(shí)需要注意的幾點(diǎn)問題，以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶更加精準(zhǔn)的溫度計(jì)量，從而減小在量值傳遞中的誤差影響。

【關(guān)鍵詞】熱電偶 ；溫度計(jì)量；誤差

中圖分類號(hào)： TH811 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）15-0006-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.15.003

溫度是反映物體冷熱程度的物理量，廣泛而又頻繁地出現(xiàn)在各類工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究等領(lǐng)域，對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)各種情況下對(duì)溫度的精準(zhǔn)測(cè)量，一直是研究人員探索的問題。目前常應(yīng)用的測(cè)溫方法主要有接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫兩種方法[1]。接觸式測(cè)溫是將溫度傳感探頭與被測(cè)物體置于同一熱平衡狀態(tài)中，采用直接接觸的方式傳遞信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的溫度檢測(cè)。非接觸式測(cè)溫是依據(jù)熱輻射原理，測(cè)溫元件不需要與被測(cè)物體直接接觸而是依靠物體表面熱輻射強(qiáng)度與溫度的關(guān)系實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)。熱電偶測(cè)溫作為一種接觸式測(cè)溫方法，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)溫范圍廣，易于安裝實(shí)現(xiàn)，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種測(cè)溫領(lǐng)域。

1 熱電偶測(cè)溫原理

熱電偶基于導(dǎo)體的熱電效應(yīng)而完成溫度檢測(cè)，具體原理為將兩種不同的金屬導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）材料構(gòu)成如下圖所示的基本結(jié)構(gòu)。其中導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）材料A和B稱為熱電極，兩種材料焊接在一起的一端T1稱為工作端（或測(cè)量端），與被測(cè)物體接觸或介入被測(cè)溫度區(qū)域進(jìn)行感溫，未直接焊接在一起的另一端T2稱為冷端（或參考端），基于中間導(dǎo)體定律可利用連接導(dǎo)線引入測(cè)量?jī)x表完成熱電偶的閉合回路[2]。當(dāng)T1端與T2端存在溫度差△T時(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，從而形成熱電流。產(chǎn)生的熱電勢(shì)只與熱電極A、B的材質(zhì)和熱電偶兩端的溫度差△T有關(guān)，與熱電極其它性質(zhì)無關(guān)。在熱電極材料不變的情況下，回路中熱電勢(shì)與△T具有固定函數(shù)關(guān)系，同時(shí)呈正相關(guān)關(guān)系[3]。因此若保持T2端溫度恒定，即可根據(jù)熱電勢(shì)大小得到被測(cè)區(qū)域溫度信息，通過測(cè)量?jī)x表便可輸出溫度顯示。

2 熱電偶分類及其特性

按照構(gòu)成熱電偶的熱電極A、B材料的不同將熱電偶分為不同分度號(hào)，實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)溫需求。國際上將熱電偶分為標(biāo)準(zhǔn)化和非標(biāo)準(zhǔn)化兩類，標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶具有統(tǒng)一規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)分度表以及允許誤差要求，非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶沒有上述要求，主要根據(jù)實(shí)際特殊應(yīng)用選擇熱電極材料來實(shí)現(xiàn)測(cè)溫需求[4]。目前國際電工委員會(huì)（IEC）規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶有八種（我國國家標(biāo)準(zhǔn)與其統(tǒng)一），根據(jù)熱電極材料的價(jià)值特點(diǎn)將分度號(hào)為S、R、B的熱電偶稱為貴金屬熱電偶，分度號(hào)為K、N、E、J、T的熱電偶稱為廉金屬熱電偶。

實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)熱電偶的選擇需要考慮多種因素影響，例如應(yīng)用場(chǎng)合、測(cè)溫范圍、響應(yīng)時(shí)間、連接點(diǎn)類型等。目前工業(yè)中常用到也是計(jì)量檢定中經(jīng)常遇到的熱電偶為分度號(hào)K、分度號(hào)E、分度號(hào)T熱電偶。K型（鎳鉻-鎳硅）熱電偶具有性能穩(wěn)定、抗氧化性強(qiáng)、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，可長(zhǎng)期使用于（0～1000）℃測(cè)溫區(qū)域，工業(yè)中應(yīng)用最為普遍；E型（鎳鉻-銅鎳）熱電偶其熱電勢(shì)大，靈敏度高，適用于高濕氧化環(huán)境，適合（0～800）℃測(cè)溫區(qū)域使用，極限工作溫度為1000℃；T型（銅-銅鎳）熱電偶在廉金屬熱電偶中其精度最高，適用于300℃以下測(cè)溫區(qū)域。此外，S型熱電偶由于在熱電偶中精確度等級(jí)最高，因此在計(jì)量檢定中通常作為標(biāo)準(zhǔn)偶使用以校準(zhǔn)廉金屬熱電偶，同時(shí)其在工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合中可長(zhǎng)期使用于1400℃溫度環(huán)境，極限工作溫度為1600℃。

3 熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)

目前實(shí)驗(yàn)室對(duì)熱電偶的檢定或校準(zhǔn)一般采用熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)，節(jié)約人力的同時(shí)可以節(jié)省時(shí)間、減小測(cè)量誤差、避免人為誤操作造成的影響。目前應(yīng)用的熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)為ZRJ智能化熱工儀表檢定系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由熱電偶檢定爐、控溫儀表、低電勢(shì)掃描器/控制器、數(shù)字萬用表、計(jì)算機(jī)和打印機(jī)組成，通過配套的上位機(jī)軟件將各部分組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

對(duì)熱電偶的檢定或校準(zhǔn)采用的是規(guī)程中提到的比較測(cè)溫法，大致流程為升溫控溫、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。將被檢偶和標(biāo)準(zhǔn)偶綁定好后放入熱電偶檢定爐中，然后在上位機(jī)設(shè)置中輸入被檢偶信息，啟動(dòng)測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行升溫，達(dá)到相應(yīng)規(guī)程中所要求的測(cè)量穩(wěn)定性判定后，數(shù)字萬用表通過轉(zhuǎn)換開關(guān)讀取標(biāo)準(zhǔn)偶和被檢偶的熱電勢(shì)值，通過上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理，得到被檢偶示值誤差，完成熱電偶的校準(zhǔn)或進(jìn)一步與規(guī)程中的允許誤差要求進(jìn)行對(duì)比，判斷合格與否完成熱電偶的檢定。以校準(zhǔn)K型2級(jí)熱電偶為例，得到的上位機(jī)記錄結(jié)果顯示界面如下圖所示。

4 計(jì)量過程中需注意的問題

（1）熱電偶的綁定

在進(jìn)行熱電偶檢定或校準(zhǔn)之前，應(yīng)按照檢定或校準(zhǔn)規(guī)程中的要求對(duì)熱電偶進(jìn)行外觀檢查，例如《JJF 1637-2017廉金屬熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范》中第7.2條規(guī)定的熱電偶的外觀檢查方法[5]。按照熱電偶結(jié)構(gòu)形式的不同可將其分為裝配型、鎧裝型和表面型。裝配型熱電偶在其熱電極之間用絕緣管（如瓷珠）進(jìn)行了隔離并在外部配有保護(hù)套管以保護(hù)熱電極不受腐蝕和損傷。鎧裝熱電偶是將金屬套管、絕緣材料和偶絲一起經(jīng)過加工形成統(tǒng)一體，其測(cè)量端部最后被焊接成光滑球狀結(jié)構(gòu)；表面型熱電偶將兩種熱電極材料蒸鍍?cè)诮^緣基底上，用來測(cè)量物體表面溫度[6]。因此在進(jìn)行被檢偶與標(biāo)準(zhǔn)偶的綁定時(shí)，裝配熱電偶應(yīng)盡量除去保護(hù)套管的影響，使熱電偶可以快速響應(yīng)溫度變化，鎧裝偶可以直接與標(biāo)準(zhǔn)偶進(jìn)行綁定。同時(shí)需注意進(jìn)行廉偶校準(zhǔn)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)偶一般應(yīng)套上保護(hù)套管以防止測(cè)量端被污染。

被檢偶與標(biāo)準(zhǔn)偶進(jìn)行綁定時(shí)要求其各自測(cè)量端處于同一個(gè)徑向截面上，才能用比較法進(jìn)行溫度測(cè)量。以實(shí)驗(yàn)室所用熱電偶檢定爐為例，其溫場(chǎng)為在橫向位置（-20～20）mm范圍內(nèi)，任意兩點(diǎn)間溫差小于1℃，在徑向Ф28 mm范圍內(nèi)，任意兩點(diǎn)間溫差小于1℃。因此若被檢偶與標(biāo)準(zhǔn)偶的測(cè)量端在徑向截面上有所偏差，就會(huì)受到檢定爐橫向溫場(chǎng)的影響，同時(shí)綁定時(shí)也要考慮檢定爐徑向溫場(chǎng)，熱電偶的綁定是否合格也是熱電偶計(jì)量誤差的來源之一。在建立熱電偶與自動(dòng)檢定系統(tǒng)之間的綁定連接時(shí)還應(yīng)注意，標(biāo)準(zhǔn)偶與被檢偶在與系統(tǒng)信號(hào)傳輸線進(jìn)行連接時(shí)應(yīng)采用同一種絕緣材料的連接線，避免數(shù)據(jù)采集時(shí)的信號(hào)干擾。

（2）冷端補(bǔ)償

在上文熱電偶測(cè)溫原理中提到需要知道熱電偶冷端溫度才能進(jìn)一步得到測(cè)量端溫度信息。一般實(shí)驗(yàn)中用到的冷端補(bǔ)償方法有冰點(diǎn)法和冷端溫度修正法。冰點(diǎn)法是將被檢偶和標(biāo)準(zhǔn)偶的冷端置于冰水混合物或者零度恒溫器中，保證冷端處于0℃恒定狀態(tài)，，直接測(cè)得工作端熱電勢(shì)即可。冷端溫度修正法為通過放置在冷端處的外接傳感器直接測(cè)得冷端溫度信息，再將冷端溫度信息加入到測(cè)量數(shù)據(jù)處理當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)冷端溫度補(bǔ)償。目前使用的熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)冰點(diǎn)法和冷端溫度修正法兩種方法，但在條件允許的情況下應(yīng)盡量使用冰點(diǎn)法，減小因冷端補(bǔ)償而引起的測(cè)量誤差。

在計(jì)量檢定或校準(zhǔn)中當(dāng)某些被檢偶由于長(zhǎng)度問題其冷端不滿足與標(biāo)準(zhǔn)偶冷端處于同一恒溫狀態(tài)時(shí)，需要對(duì)被檢偶連接補(bǔ)償導(dǎo)線。補(bǔ)償導(dǎo)線只起到轉(zhuǎn)移冷端的作用，并不起到上文中提到的冷端溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?。連接補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，需要注意補(bǔ)償導(dǎo)線的型號(hào)需要與被檢偶分度號(hào)一致，同時(shí)補(bǔ)償導(dǎo)線與被檢偶正負(fù)極端口的連接點(diǎn)溫度應(yīng)相同[7]。規(guī)程中對(duì)補(bǔ)償導(dǎo)線的使用溫度范圍和允許偏差也做了相應(yīng)要求，因此補(bǔ)償導(dǎo)線也需進(jìn)行計(jì)量檢定或校準(zhǔn)后才可使用。在工業(yè)應(yīng)用中，補(bǔ)償導(dǎo)線可以作為圖1中熱電偶與測(cè)量?jī)x表之間的連接導(dǎo)線使用。

5 結(jié)論

本文對(duì)熱電偶的測(cè)溫原理及熱電偶分類進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述，介紹了使用的熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，熟悉熱電偶在檢定或校準(zhǔn)過程中的數(shù)據(jù)采集流程。同時(shí)也提到在熱電偶溫度計(jì)量中需要注意的問題，以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶進(jìn)行更加精準(zhǔn)的溫度計(jì)量，對(duì)減小在量值傳遞中的誤差影響具有一定意義。

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