測溫?zé)犭娕嫉墓ぷ髟砑捌湓诂F(xiàn)場中的應(yīng)用

摘要：溫度測量在冶金生產(chǎn)中有著重要的意義，而鋼鐵企業(yè)中溫度的測量大部分都采用的是熱電偶測溫。本文的主要目的是講解熱電偶是怎么測量溫的原理以及熱電偶在現(xiàn)場的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：溫度測量;測量方法;熱電偶測溫

1? 溫度測量的基本知識

溫度與人們的生活有著息息相關(guān)，例如家用電冰箱、電飯煲、微波爐和空調(diào)，都是通過溫度來實(shí)現(xiàn)控制的。工業(yè)生產(chǎn)中溫度測量及控制也是非常普遍的，例如煉鐵高爐熱風(fēng)爐自動燃燒控制系統(tǒng)中，爐頂溫度的控制及測量;煉鋼熱軋加熱爐中爐膛溫度的測量就是通過熱電偶來進(jìn)行測溫的。那么，什么是溫度呢？

①溫度的定義：就是把物體是冷還是熱具體的量化出來。

②溫標(biāo)：溫度數(shù)值的表示方法稱為溫標(biāo)。溫標(biāo)可以分為四種：攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)和國際實(shí)用溫標(biāo)。它們各有各有的定義，并且相互之間有轉(zhuǎn)換公式。如表1。

③溫度測量方法。

根據(jù)被測量對象與測溫元件之間是否接觸與否，如果接觸就是接觸測量，如用熱電偶和熱電阻測量現(xiàn)場的溫度就是接觸測量。如果不相接觸就是非接觸測量，如紅外線測溫儀和高溫輻射計測量溫度。

2? 熱電偶的工作原理

2.1 熱電效應(yīng)

1821年，物理學(xué)家塞貝克做了一個嘗試性的實(shí)驗，從中總結(jié)得出的熱電效應(yīng)。具體操作步驟是：將兩種密度有差異的導(dǎo)體鉸接在一起，構(gòu)建成閉合回路。先用一只酒精燈去燒結(jié)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)隨著用酒精燈燒的結(jié)點(diǎn)的顏色發(fā)生變化，放在閉合回路中的直流毫伏表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn);與此同時并沒有撤去第一只酒精燈，用另一只酒精燈去燒另外一個結(jié)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)隨著酒精燈燒的另一結(jié)點(diǎn)的顏色和前一個結(jié)點(diǎn)的顏色漸漸接近，觀察到閉合回路中的直流毫伏表的指針偏轉(zhuǎn)角也隨著逐漸減小，當(dāng)兩個結(jié)點(diǎn)的顏色一樣時，直流毫伏表的指針指在零上。閉合回路就是所說的熱電偶傳感器，兩個導(dǎo)體就是組成熱電偶的兩個電極，兩個結(jié)點(diǎn)就分別是熱電偶的冷端和熱端。

2.2 熱電偶熱電勢的組成

2.2.1 兩導(dǎo)體的接觸電勢

兩導(dǎo)體的密度不一樣時，這兩種導(dǎo)體之間就會互相擴(kuò)散自由電子，當(dāng)然，密度大的向密度小的擴(kuò)散的自由電子比密度小的向密度大的擴(kuò)散的自由電子數(shù)多。所以，最后相當(dāng)于密度大的失去電子，所以就帶正電，密度小的得到電子，所以就帶負(fù)電。因此就在兩種導(dǎo)體接觸點(diǎn)的位置上產(chǎn)生電動勢，因為這個電勢在兩導(dǎo)體的接觸點(diǎn)處，把它叫做兩導(dǎo)體的接觸電勢。記為EAB（T）。E為電動勢，A，B為熱電偶的兩個電極，T為結(jié)點(diǎn)處的溫度。A為高電位，B為低電位。如果導(dǎo)體的密度存在一定的差異時，就會在兩導(dǎo)體相接觸的地方形成兩導(dǎo)體的接觸電勢。兩導(dǎo)體的接觸電勢的數(shù)值與兩導(dǎo)體接觸點(diǎn)處的溫度高低有關(guān)，溫度越高兩導(dǎo)體的接觸電勢就越大，規(guī)定低電位指向高電位的方向是接觸電動勢的方向。由于測溫?zé)犭娕嫉幕芈分杏袃蓚€相接觸的點(diǎn)就會在兩個接觸點(diǎn)處形成電勢，所以測溫?zé)犭娕嫉幕芈分写嬖趦蓚€接觸電勢。

2.2.2 單一導(dǎo)體的溫差電勢

當(dāng)導(dǎo)體兩端的溫度不同時，假設(shè)T大于T0。單一導(dǎo)體熱度高的與熱度低的之間就會存在互相擴(kuò)散電子的現(xiàn)象。當(dāng)然，溫度高的擴(kuò)散的多，溫度低的擴(kuò)散的少。最終導(dǎo)致熱度高的端逸失了一些電子，所以熱度高的就帶正電，熱度低的端就得到了一些電子，所以熱度低的端就帶負(fù)電。這樣就在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生了溫差電勢。當(dāng)導(dǎo)體的兩個端部存有熱度差值的時候，就會在單一導(dǎo)體的兩頭形成溫差電動勢。單一導(dǎo)體的溫差電勢的大小和該導(dǎo)體的密度之間有一定的關(guān)系，單一導(dǎo)體的溫差電勢的方向：規(guī)定是從低溫端指向高溫端。由于測溫?zé)犭娕奸]合回路中含有兩種不一樣的導(dǎo)體，所以測溫?zé)犭娕蓟芈分芯痛嬖趦蓚€溫差電勢。

2.2.3 閉合回路中總電勢

熱電偶回路中共有四個電勢分別是EAB（T），EAB（T0），EA （T，T0）和EB （T，T0）。依據(jù)電路分析課程中學(xué)過的基本知識，可以很容易的寫出熱電偶回路中總電勢。EAB （T，T0）為熱電偶回路中的總電勢。

從上面所闡述的內(nèi)容可以得出，測溫?zé)犭娕夹纬蔁犭妱菀獫M足的條件：①兩電極的材質(zhì)不同也就是說兩種導(dǎo)體的密度必須有差異。②兩結(jié)點(diǎn)的溫度不同即結(jié)點(diǎn)溫度T和結(jié)點(diǎn)溫度T0不相等。③必須形成閉合回路。

3? 熱電偶的應(yīng)用

3.1 測量現(xiàn)場的溫度

測量加熱爐爐膛溫度，要將熱電偶插入到爐膛中，熱電偶的熱端處在加熱爐的爐膛中，冷端在現(xiàn)場環(huán)境中。此時測溫，一定要考慮到熱電偶的冷端溫度是否在零攝氏度，如果冷端不在零攝氏度要考慮冷端溫度補(bǔ)償。

3.2 溫度補(bǔ)償?shù)膯栴}

當(dāng)然溫度補(bǔ)償就需要用補(bǔ)償導(dǎo)線來實(shí)現(xiàn)。那么，補(bǔ)償導(dǎo)線的接線就需要特別注意。因為補(bǔ)償導(dǎo)線有兩個極分別是“+”極和“-”極，熱電偶的熱電極和補(bǔ)償導(dǎo)線有同樣的極，因此熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶在進(jìn)行導(dǎo)線連接時一定要特別留意它們的極別，千萬不可以接錯。如果在現(xiàn)場無法區(qū)分的時候，要會利用萬用表來判別熱電偶的正極和負(fù)極。具體的操作方法是：把萬用表的“+”表筆放在電壓檔的插孔中，把萬用表的“-”表筆放在公共端孔中，“+”表筆和“-”表筆分別熱電偶的兩個熱電偶絲接觸，觀察顯示數(shù)值的極性，如果顯示的數(shù)字前面是“+”，就能很快的判斷出接紅表筆的電極就是熱電偶的正極;如果顯示的數(shù)字前是“-”，就能很快的判斷出接紅表筆的電極就是熱電偶的負(fù)極。熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線正、負(fù)怎么區(qū)分，一般是根據(jù)經(jīng)驗來區(qū)分的，一般是較硬的為正。

3.3 補(bǔ)償導(dǎo)線的選擇問題

補(bǔ)償導(dǎo)線的類別有C和X兩種，C——補(bǔ)償型，X——延伸型。如果采用的補(bǔ)償導(dǎo)線是補(bǔ)償型的，C后面字母和熱電偶傳感器的類型一致，如果不一致的話，就說明補(bǔ)償導(dǎo)線選擇的不正確，最終得出的測量結(jié)果并不是現(xiàn)場的實(shí)際溫度。例如：用S熱電偶測量溫度，并沒有選用S補(bǔ)償導(dǎo)線，而是采用了K型補(bǔ)償導(dǎo)線，這就相當(dāng)于把K型熱電偶的熱電動勢加在了S熱電偶中。并且在0-100℃之間，K的毫伏值大于S的毫伏值，導(dǎo)致測量的結(jié)果比現(xiàn)場實(shí)際值高。

3.4 熱電偶的安裝方式選擇

安裝方式的選擇要結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際來選擇，測量加熱爐爐膛溫度時，只要將熱電偶安裝在爐膛的爐壁上用石棉繩把空隙塞上就可以了。如果是高壓場合就要選擇法蘭安裝。在安裝熱電偶時，要具體的看管道的分布情況，如果是把熱電偶安裝在水平管道上，熱電偶就要垂直的安裝在管道的中心線處，這樣測出的結(jié)果和現(xiàn)場的實(shí)際值偏差特別小。如果是把熱電偶安裝在垂直管道上，為了保證測量的準(zhǔn)確度，就把熱電偶安裝在與管道中心線呈斜向下45度角的方向上。

3.5 熱電偶測量溫度時，要想得到現(xiàn)場的實(shí)際溫度，是需要經(jīng)過計算的，在計算時要特別注意冷端溫度

如果冷端的溫度不是零攝氏度，就不能查熱電偶溫度-熱電勢曲線圖，只有把冷端的補(bǔ)償電勢加進(jìn)去才可以查表得出現(xiàn)場的實(shí)際溫度。

3.6 熱電偶型號選擇的問題

檢測溫度的元器件有金屬測溫?zé)犭娮韬蜔犭娕?，根?jù)金屬電阻和電偶的組成材料來看，測溫電阻檢測的范圍比較小。而現(xiàn)場實(shí)際的溫度很多時候超過了1000℃，因此用熱電阻測量溫度已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場的測溫要求。而熱電偶測溫范圍可以達(dá)到一千多度，可以對現(xiàn)場的很多測溫點(diǎn)進(jìn)行測量。為了得到更精確的結(jié)果，正確選擇熱電偶的型號，就顯得非常重要。如果測量的溫度在1600℃左右，就要選擇B型熱電偶;如果測量的溫度在1400℃左右，就要選擇S型熱電偶;如果測量的溫度在1200℃左右，就要選擇K型熱電偶。

4? 總結(jié)

熱電偶測溫在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用很廣泛。熱電偶在使用的過程中，要看具體的現(xiàn)場條件再決定熱電偶的安裝方式，并且安裝方式和方向要嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。否則就會在測量時產(chǎn)生誤差或者會發(fā)生故障而影響生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁森.自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015，6.

[2]張華.熱工測量儀表[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

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作者簡介：潘俊花（1980-），女，甘肅武威人，甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，工學(xué)學(xué)士，主要研究方向為測控技術(shù)與儀器儀表。