溫度測量的精髓之熱電偶測量篇
第一章 熱電偶的基礎知識
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1、什么是熱電偶
所謂熱電偶是指由兩種不同材質的金屬導體構成的溫度傳感器。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：
①響應速度快。
②可進行-200℃到+1700℃之間大范圍的溫度測量。
③可對特定點和小空間進行溫度測量。
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年德國科學家塞貝克（T.J Seebeck）發(fā)現(xiàn)：當連接兩種不同金屬，并對兩端的接點施加不同溫度時，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”。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體的材質和兩端之間的溫度差決定。
利用前面所說的塞貝克效應，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）T1與熱電偶顯示儀表接點（基準接點）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、將基準接點設為 0℃（冷端補償），直接讀取溫度。
2、測量基準接點的氣溫（基準接點補償），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℃為基準的熱電動勢相加，可以獲得測溫接點的溫度。我們稱之為基準接點補償。
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。假設液體內溫度為均勻100℃（無溫度梯度）。此時，液體內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體的組合方式可分為以下8大種類。
熱電偶分度號 | 熱電偶電極材料 | 測溫范圍 | |
正極 | 負極 | ||
B | 含銠為30%的鉑銠合金 | 含銠為6%的鉑銠合金 | +600℃到+1700℃ |
R | 含銠為13%的鉑銠合金 | 鉑 | 0℃到+1100℃ |
S | 含銠為10%的鉑銠合金 | 鉑 | +600℃到+1600℃ |
N | 以鎳、鉻和硅為主的合金 | 以鎳和硅為主的合金 | -200℃到+1200℃ |
K | 以鎳和鉻為主的合金 | 以鎳和鋁為主的合金 | -200℃到+1200℃ |
E | 以鎳和鋁為主的合金 | 以銅和鎳為主的合金 | -200℃到+900℃ |
J | 鐵 | 以銅和鎳為主的合金 | -40℃到+750℃ |
T | 銅 | 以銅和鎳為主的合金 | -200℃到+350℃ |
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。
【B型熱電偶】 B型熱電偶由于相較其他貴金屬熱電偶，其銠含量更高，所以熔點和機械強度有所增加，使用壽命長。電動勢極低，無法測量低溫區(qū)域。主要用于測量R型熱電偶/S型熱電偶無法測量的溫度更高的區(qū)域。 【R型熱電偶和S型熱電偶】 R型熱電偶和S型熱電偶也用于對耐久性有一定要求的高溫區(qū)域。在我國貴金屬熱電偶中S熱電偶的使用率最高。 【N型熱電偶】 N型熱電偶價格低廉，用于測量+1000℃以上的高溫區(qū)域。 【K型熱電偶】 相較于貴金屬熱電偶，K型熱電偶價格低廉，現(xiàn)在工業(yè)用途中最常見到它的身影。由于其電動勢的直線性良好，具有較高的耐熱和耐腐蝕性，因此可優(yōu)先考慮使用K熱電偶。 【E型熱電偶】 每1℃的電動勢極大，是分辨率良好的類型。特別用于對溫度進行精準測量。 【J型熱電偶】 【T型熱電偶】 T型熱電偶是低溫區(qū)域（-200到＋300℃）下的電動勢特性優(yōu)秀的類型。用于精準測量低溫區(qū)域。 |
2、根據(jù)環(huán)境性和響應性選擇
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絕緣物質，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：憑借這些特點，自十多年前投入到實際應用中以來，鎧裝熱電偶的使用變得越來越廣泛。
① 較大的機械強度使其具有優(yōu)良的彎曲性和耐沖擊性 ② 良好的耐腐蝕性和抗壓性 |
鎧裝熱電偶的測溫接點有3種類型。根據(jù)使用用途選擇最合適的接點類型。
【接地式】 接地式熱電偶將熱電偶引線直接焊接在套管前端，構成測溫接點。其特點是響應快。由于引線與套管導通，不能使用于存在噪音或危險的場所。 【絕緣式】 絕緣式熱電偶的熱電偶引線與套管完全絕緣，構成測溫接點。其響應性不及接地型，但可長時間使用，此外也可用于存在噪音或危險的場所而不受任何影響。 【露端式】 這種熱電偶的熱電偶引線從套管中露出，構成測溫接點。其響應性為3種類型中最快，可對細微的溫度變化作出反應。它可用于諸如引擎測試等對快速響應性有一定要求的場合。但是強度很低，基本上只作為一次性使用。 |
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》參閱更多技術資料。
第三章 熱電偶與補償導線
1、什么是補償導線
所謂補償導線是指用于連接熱電偶與溫度顯示儀表之間的導線。在使用溫度范圍（0℃到+60℃）內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，補償導線上也會產(chǎn)生與該溫度差相當?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償導線而使用銅導線，那么即使存在溫度梯度的部分也不會產(chǎn)生熱電動勢。由此導致溫度的測量結果產(chǎn)生誤差。
3、熱電偶與補償導線的連接
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償導線不會有任何問題。
假使連接部位產(chǎn)生溫度差異，則無法進行正確測量。此時，應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，則無法實現(xiàn)正確測量。
第四章 熱電偶校準
按照國家頒布的熱電偶檢定和校驗技術規(guī)范，熱電偶校驗一般用定點法或比較法進行校驗，下面對比較法和定點法做相關介紹。
1、定點法和比較法
所謂熱電偶校驗，是指決定所用熱電偶顯示的值與實際溫度之間關系的一項操作。校驗通常每半年進行1次。校驗方法大致可分為定點法和比較法。
【定點法】
所謂定點法，是指使用溫度定點給出正確溫度值，然后進行校驗的方法。
如上圖所示測量定點溫度后進行校驗。
由于溫度定點為物質的相平衡狀態(tài)，無論何時復現(xiàn)溫度均恒定不變。
【常用定點】
定點 | 溫度 |
氮的沸點 | -195.798℃ |
氧的沸點 | -182.954℃ |
冰點 | 0℃ |
水的沸點 | 99.974℃ |
水的三相點 | 0.01℃ |
錫的凝固點 | 231.928℃ |
鋅的凝固點 | 419.527℃ |
鋁的凝固點 | 660.323℃ |
銀的凝固點 | 961.78℃ |
金的凝固點 | 1064.18℃ |
鉑的凝固點 | 1768℃ |
所謂水的三相點，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瓶的玻璃瓶中實現(xiàn)。±0.001℃可獲得最佳精度，常在定點法中使用。
【比較法】
所謂比較法，是指利用二等標準熱電偶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熱電偶之間的誤差后進行校驗的一種方法。
相較于定點法，其精度下降，可使用任意溫度進行校驗是其特點所在。
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。為了進行正確測量，請定期對熱電偶進行維護和更換。
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)生的故障實例。
上圖是進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、熱電偶與補償導線的極性反接
如果弄錯熱電偶與補償導線的極性，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、銅導線代替補償導線使用等
有溫度梯度時，如果使用銅導線等替代補償導線，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償導線
如果使用與測量器不同種類的熱電偶與補償導線，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。