溫度測量的精髓之熱電偶測量篇

第一章 熱電偶的基礎(chǔ)知識

1、什么是熱電偶

所謂熱電偶是指由兩種不同材質(zhì)的金屬導(dǎo)體構(gòu)成的溫度傳感器。與其他溫度計（水銀溫度計、熱敏電阻等）相比較，主要用于工業(yè)行業(yè)的熱電偶具有其特點(diǎn)：

①響應(yīng)速度快。

②可進(jìn)行-200℃到+1700℃之間大范圍的溫度測量。

③可對特定點(diǎn)和小空間進(jìn)行溫度測量。

④由于溫度信息可檢測為電信號（熱電動勢），信息的處理和分析非常便利。

⑤價格低廉，易購買。

2、熱電偶的原理

1821年德國科學(xué)家塞貝克（T.J Seebeck）發(fā)現(xiàn)：當(dāng)連接兩種不同金屬，并對兩端的接點(diǎn)施加不同溫度時，金屬之間會產(chǎn)生電壓并有電流通過。這一現(xiàn)象以發(fā)現(xiàn)者的名字命名為“塞貝克效應(yīng)”。該回路中生成電流的電力被稱為熱電動勢（Thermoelectromotive force），其極性和大小僅由兩種導(dǎo)體的材質(zhì)和兩端之間的溫度差決定。

利用前面所說的塞貝克效應(yīng)，熱電偶工作原理為其憑借2種不同金屬的接合處（測溫接點(diǎn)）T1與熱電偶顯示儀表接點(diǎn)（基準(zhǔn)接點(diǎn)）T0之間的溫度差T，從而產(chǎn)生電壓。使用熱電偶測量溫度時，顯示儀表會測量該電壓。

熱電偶顯示儀表的測量方式有以下2種:

1、將基準(zhǔn)接點(diǎn)設(shè)為 0℃（冷端補(bǔ)償），直接讀取溫度。

2、測量基準(zhǔn)接點(diǎn)的氣溫（基準(zhǔn)接點(diǎn)補(bǔ)償），計入溫度差△T。

測量時，將冷端維持在0℃非常困難。通過測量端子周圍的溫度，將其與以0℃為基準(zhǔn)的熱電動勢相加，可以獲得測溫接點(diǎn)的溫度。我們稱之為基準(zhǔn)接點(diǎn)補(bǔ)償。

3、熱電偶的感溫部分位于何處？

下圖是將熱電偶插入裝有熱液體的杯中的示意圖。假設(shè)液體內(nèi)溫度為均勻100℃（無溫度梯度）。此時，液體內(nèi)的熱電偶部分不會產(chǎn)生熱電動勢。熱電動勢只產(chǎn)生于存在溫度梯度的部分。由于熱電偶的感溫部位會產(chǎn)生熱電動勢，因此該溫度梯度部位即為熱電偶的感溫部位。

第二章 熱電偶的選擇

1、根據(jù)測量溫度選擇

熱電偶按照兩種金屬導(dǎo)體的組合方式可分為以下8大種類。

B型熱電偶、R型熱電偶、S型熱電偶被稱為貴金屬熱電偶，而N型熱電偶、K型熱電偶、E型熱電偶、J型熱電偶、T型熱電偶被稱為廉金屬熱電偶。含有鉑、銠等熔點(diǎn)較高金屬的貴金屬熱電偶被用來測量+1000℃以上的溫度，而廉金屬熱電偶則常用于測量+1000℃以下的溫度。

下面描述了各類熱電偶的特征。

2、根據(jù)環(huán)境性和響應(yīng)性選擇

為了使熱電偶引線在氧化和腐蝕環(huán)境下具有耐久性，通常將其與外界空氣隔絕。為了與外界空氣隔絕，會在金屬套管和一對熱電偶引線之間充填和封入粉末狀的無機(jī)絕緣物質(zhì)，我們將這種加工而成的熱電偶稱為“鎧裝熱電偶”。

以下為鎧裝熱電偶的特點(diǎn)：憑借這些特點(diǎn)，自十多年前投入到實(shí)際應(yīng)用中以來，鎧裝熱電偶的使用變得越來越廣泛。

鎧裝熱電偶的測溫接點(diǎn)有3種類型。根據(jù)使用用途選擇最合適的接點(diǎn)類型。

熱電偶選用非三言兩語可以說清楚，如果您想深入了解這樣方面問題，可通過《在測溫過程中如何選用熱電偶》參閱更多技術(shù)資料。

第三章 熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線

1、什么是補(bǔ)償導(dǎo)線

所謂補(bǔ)償導(dǎo)線是指用于連接熱電偶與溫度顯示儀表之間的導(dǎo)線。在使用溫度范圍（0℃到+60℃）內(nèi)具有與熱電偶幾乎相同的熱電動勢，因此它主要用于延長熱電偶。
出于對下圖所示的溫度梯度考慮。

由于感溫部位存在溫度梯度，補(bǔ)償導(dǎo)線上也會產(chǎn)生與該溫度差相當(dāng)?shù)臒犭妱觿荨犭娕硷@示儀表計算產(chǎn)生的熱電動勢的合計值，并顯示為溫度。

2、溫度儀表通過測量熱電偶電勢值而顯示溫度

如果按上圖所示不使用補(bǔ)償導(dǎo)線而使用銅導(dǎo)線，那么即使存在溫度梯度的部分也不會產(chǎn)生熱電動勢。由此導(dǎo)致溫度的測量結(jié)果產(chǎn)生誤差。

3、熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線的連接

連接部位不存在溫度梯度時，使用普通接線板連接熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線不會有任何問題。

假使連接部位產(chǎn)生溫度差異，則無法進(jìn)行正確測量。此時，應(yīng)使用與所用熱電偶具有相同熱電動勢的專用連接器。

4、熱電偶的最大延長

熱電偶本身延長至1km以上也可以使用。但是，測量器上一般都規(guī)定了可配線的最大輸入信號電阻值和“輸入信號電阻”。需要注意的是，如果熱電偶的總電阻值超出該值，則無法實(shí)現(xiàn)正確測量。

第四章 熱電偶校準(zhǔn)

按照國家頒布的熱電偶檢定和校驗(yàn)技術(shù)規(guī)范，熱電偶校驗(yàn)一般用定點(diǎn)法或比較法進(jìn)行校驗(yàn)，下面對比較法和定點(diǎn)法做相關(guān)介紹。

1、定點(diǎn)法和比較法

所謂熱電偶校驗(yàn)，是指決定所用熱電偶顯示的值與實(shí)際溫度之間關(guān)系的一項(xiàng)操作。校驗(yàn)通常每半年進(jìn)行1次。校驗(yàn)方法大致可分為定點(diǎn)法和比較法。

【定點(diǎn)法】

所謂定點(diǎn)法，是指使用溫度定點(diǎn)給出正確溫度值，然后進(jìn)行校驗(yàn)的方法。

如上圖所示測量定點(diǎn)溫度后進(jìn)行校驗(yàn)。

由于溫度定點(diǎn)為物質(zhì)的相平衡狀態(tài)，無論何時復(fù)現(xiàn)溫度均恒定不變。

【常用定點(diǎn)】

所謂水的三相點(diǎn)，是指液體、氣體、固體這三種形態(tài)共存的溫度，通常可以在被稱為水三相點(diǎn)瓶的玻璃瓶中實(shí)現(xiàn)。±0.001℃可獲得最佳精度，常在定點(diǎn)法中使用。

【比較法】

所謂比較法，是指利用二等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶WRPB-2測量任意規(guī)定的恒溫槽溫度，同時獲得它與已測被校驗(yàn)熱電偶之間的誤差后進(jìn)行校驗(yàn)的一種方法。

相較于定點(diǎn)法，其精度下降，可使用任意溫度進(jìn)行校驗(yàn)是其特點(diǎn)所在。

2、熱電偶的使用壽命

熱電偶也具有使用壽命。雖然其使用溫度和環(huán)境千差萬別，但一般來說，如果在低于常用溫度以下的氧化環(huán)境中使用，貴金屬熱電偶使用壽命約為2000小時，廉金屬熱電偶的使用壽命約為10000小時。如果在極限溫度下使用，則它的使用壽命會大幅縮短，約為50到250小時。當(dāng)熱電偶接近使用壽命時，它將無法顯示正常溫度，最終會斷線。為了進(jìn)行正確測量，請定期對熱電偶進(jìn)行維護(hù)和更換。

第五章 熱電偶測量故障排查

使用熱電偶測量溫度時，有時會無法獲得正確的測量值。下面匯總了熱電偶測量時容易發(fā)生的故障實(shí)例。

上圖是進(jìn)行正常熱電偶測量的狀態(tài)

按照總體的熱電動勢為1.00mV+3.00mV+10.00mV=14.00mV，測量值為100℃。（以熱電動勢的各數(shù)值作為參考值）

1、熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線的極性反接

如果弄錯熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線的極性，則無法正確測量。

總體的熱電動勢變?yōu)?6.00mV，顯示儀表上顯示錯誤溫度。

2、銅導(dǎo)線代替補(bǔ)償導(dǎo)線使用等

有溫度梯度時，如果使用銅導(dǎo)線等替代補(bǔ)償導(dǎo)線，則無法正確測量。

總體的熱電動勢變?yōu)?1.00mV，測量器上顯示錯誤溫度。

3、使用了不同種類的熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線

如果使用與測量器不同種類的熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線，則無法正確測量。

總體的熱電動勢變?yōu)?.50mV，測量器上顯示錯誤溫度。