熱電偶測溫系統(tǒng)原理及冷端溫度補(bǔ)償

摘要:闡述了熱電偶測溫系統(tǒng)的測溫原理,介紹了冷端的溫度補(bǔ)償方法與其基本測溫線路。
       熱電偶溫度計(jì)是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)的測溫儀表,測溫精度高,與顯示儀表配合，可廣泛用來測量氣.體、蒸汽、液體等介質(zhì)-200℃~1600℃范圍內(nèi)的溫度,特殊情況下可測-2700℃~2800℃,動態(tài)響應(yīng)快,熱慣性小，機(jī)械強(qiáng)度高,耐壓性能好,耐高溫可達(dá)2800℃,抗震性能好,而且便于信號的遠(yuǎn)距離傳送和實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)切換測量,能自動記錄和集中控制,性能穩(wěn)定、測量精度高、正確可靠、使用壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、裝配簡單、更換方便和使用維護(hù)方便，其測量范圍廣,也可作為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量,供量值傳遞之用,所以在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，作為測溫儀表，在建筑環(huán)境與設(shè)備工程中應(yīng)用也非常廣泛。
1熱電偶測溫系統(tǒng)的測溫原理
       熱電偶溫度計(jì)由熱電偶、電測儀表和連接導(dǎo)線組成,其測溫原理基于物理學(xué)中熱電效應(yīng)"現(xiàn)象,就是把任意兩種不同的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)連接成閉合回路，如果兩個(gè)接點(diǎn)的溫度不同,在回路中就會產(chǎn)生熱電勢,形成熱電流,這就是“熱電效應(yīng)”。熱電偶溫度計(jì)就是利用該原理，把兩種不同的金屬材料--端焊接而成的,焊接的一端叫測量端(也叫熱端或工作端),未焊接的一-端叫參考端(也叫冷端或自由端)，如果參考端的溫度恒定不變。則熱電勢的大小和方向就只與這兩種材料的特性和測量端的溫度有關(guān)，且熱電勢和溫度之間有一個(gè)固定的函數(shù)關(guān)系,利用這個(gè)關(guān)系，只嬰測量出熱電勢的大小，再配以測量毫伏級電勢信號的儀表或變送器就實(shí)現(xiàn)了溫度的測量或溫度信號的變換。

       在進(jìn)行溫度測量時(shí)，將熱電偶熱端插入被測溫的設(shè)備或管道中,使其熱端感受被測介質(zhì)的溫度,其冷端置于恒定的溫度之下,并用連接導(dǎo)線連接電氣測量儀表。
       根據(jù)熱電偶基本定律之一的中間導(dǎo)體定律,在熱電偶回路中接人第三種金屬材料時(shí)，只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同,熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢將保持不變,即不受第三種金屬接人回路中的影響。因此,在熱電偶測溫時(shí)，可接入測量儀表,測得熱電動勢后，即可知道被測介質(zhì)的溫度。
2熱電偶測溫系統(tǒng)的冷端溫度補(bǔ)償方法
       由熱電偶測溫原理可知,熱電勢的大小與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。只有當(dāng)熱電偶冷端溫度保持不變時(shí),熱電勢才是被測溫度的單值函數(shù)。因此,要正確地測量溫度,必須使其參考端溫度恒定,熱電偶冷端最好應(yīng)保持0℃,-般固定在0℃,而在現(xiàn)場條件下使用的儀表則難以實(shí)現(xiàn)，因此必須對其參考端進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正,以確保溫度測量的正確性。
       工業(yè)上常用的各種熱電倜的溫度一熱電勢關(guān)系曲線(或數(shù)據(jù))是在冷端溫度為0℃時(shí)得到的,與它配套的儀表也是依據(jù)這--關(guān)系進(jìn)行刻度的。但在實(shí)際應(yīng)用中,其冷端溫度往往高于0℃，且不穩(wěn)定，隨環(huán)境溫度變化而改變,致使熱電偶產(chǎn)生的熱電勢偏小并隨之變化,因而造成測量誤差引人。因此，當(dāng)熱電偶參考端溫度不為0℃,而是一個(gè)波動的溫度時(shí),必須采用恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償方法正確修正,一般工業(yè)，上經(jīng)常使用補(bǔ)償校正的方法如下。
2.1補(bǔ)償導(dǎo)線法和計(jì)算校正法兩者相結(jié)合的溫度補(bǔ)償方法
       用補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電倘的熱電極延長到環(huán)境溫度變化較穩(wěn)定的地方,然后按熱電偶中間溫度定律進(jìn)行熱電勢的修正。
2.2校正儀表機(jī)械霉點(diǎn)法
       當(dāng)熱電偶與動圈儀表配套使用時(shí)，如冷端溫度比較恒定,測量精度要求不高時(shí)，首先必須將儀表的電源及輸人信號切斷,然后用螺釘旋具將動圈儀表的機(jī)械零點(diǎn)指針調(diào)至熱電偶的冷端溫度Tn.這相當(dāng)于在輸入熱電勢之前就給儀表輸人-一個(gè)補(bǔ)償熱電勢E(T。,0),這樣，儀表在使用時(shí)所指示的值為:E(T,0℃)=E(T,T.)+E(T,0℃)。即相當(dāng)于把校正值直接加進(jìn)去,這樣,儀表的讀數(shù)就是實(shí)際溫度了。
冷端溫度變化時(shí)需要重新調(diào)整儀表的機(jī)械零點(diǎn),這種方法用于對測量精度要求不高的場合,此法適宜冷端溫度穩(wěn)定的場合。
2.3恒溫器法
       將熱電偶的參考端置于電加熱的恒溫器中，使其參考端恒定在某一溫度值。該方法必須采用計(jì)算校正法予以修正。計(jì)算修正法適合于帶計(jì)算機(jī)的測溫系統(tǒng)。
2.4電橋補(bǔ)償法
       電橋補(bǔ)償法是在熱電偶回路中串接一個(gè)參考端溫度補(bǔ)償器,用來自動補(bǔ)償因熱電偶參考端溫度變化對輸出熱電勢的影響。
       采用冷端溫度補(bǔ)償器的補(bǔ)償法比其他修正方法方便,其補(bǔ)償精度也能滿足熱工測量的要求,它是目前廣泛采用的熱電偶溫度補(bǔ)償處理方法。筆者就補(bǔ)償導(dǎo)線法和計(jì)算校正法兩者相結(jié)合的溫度補(bǔ)償方法展開分析討論。所謂補(bǔ)償導(dǎo)線是在一定的溫度范圍內(nèi)(一般為0~100℃),具有與所匹配熱電偶熱電動勢相同標(biāo)稱值的一對帶有絕緣層的導(dǎo)線，用于連接熱電偶和測量顯示儀表裝置,以補(bǔ)償它們與熱電偶連接處的溫度變化所產(chǎn)生的誤差。.
       在使用熱電偶測溫時(shí),要求其參考端溫度必須保持恒定。由于一般熱電偶長度都比較短,尤其是一些由貴重材料制成的熱電偶,這樣,熱電偶的參考端距離被測對象很近,使參考端溫度較高且波動很大,而且測點(diǎn)到控制室室內(nèi)儀表的距離都很遠(yuǎn),為了節(jié)省熱電偶的材料，降低成本，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的冷端(即自由端)延長到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi),連接到電測儀表的端子上,這種方法可適用于價(jià)格便宜的熱電偶。對貴重金屬制成的熱電偶則極不經(jīng)濟(jì),同時(shí)熱電偶線也不易敷設(shè)，因?yàn)闊犭娕紖⒖级藴囟榷嗵幱诔?0~100℃)下，補(bǔ)償導(dǎo)線在此溫度范圍內(nèi)具有與熱電偶相同的溫度一熱電勢關(guān)系,可以起到延長熱電偶的作用,且價(jià)格便宜,宜于敷設(shè),所以,在使用熱電偶測溫時(shí),要連接補(bǔ)償導(dǎo)線。
       必須指出:熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用,只起延伸熱電極,使熱電偶的冷端移動到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對測溫的影響，不起補(bǔ)償作用,因此還需根據(jù)熱電偶中間溫度定律進(jìn)行熱電勢的修正，即用計(jì)算校正法來補(bǔ)償冷端溫度不為0℃時(shí)對測溫的影響。必須注意:使用補(bǔ)償導(dǎo)線法時(shí),就必須使用計(jì)算校正法,對儀表的指示值加以修正,熱電偶冷端補(bǔ)償計(jì)算校正方法如下。
從毫伏到溫度:測量冷端溫度,換算為對應(yīng)毫伏值，與熱電偶的毫伏值相加,求出總熱電動勢,反查熱電偶分度表來求出被測溫度值;前面所說的相加是熱電勢的相加,而不是簡單的溫度相加。從溫度到亳伏:測量出實(shí)際溫度與冷端溫度,分別換算為毫伏值，相減后得出毫伏值,即得溫度值。例如:用K分度(鎳鉻一鎳硅)熱電偶測溫,熱電偶的冷端溫度T,=30℃，測得冷端為30℃時(shí)的熱電勢E(T,T。)=40,347mV,由熱電偶分度表查得熱端30°C、冷端0C時(shí)熱電勢E(Tn,0℃)=1.203mV,則:E(T,0℃)=E(T,T.)+E(T.,0°C)=40.347+1.203-41.55(mV),同樣由分度表查得熱端(測量端)溫度T=1010°C。又例如:某標(biāo)準(zhǔn)s分度(鉑銠10--鉑)熱電偶在900℃時(shí)的熱電勢為8.41mV,當(dāng)測得熱電勢為8.338mV,冷端溫度為0℃時(shí)，此時(shí)熱端(測量端)實(shí)際溫度為多少?首先查分度表得S分度(鉑銠10一鉑)熱電偶900℃時(shí)的熱電勢為8.448mV,在900℃附近,測量值與分度表的偏差是△E=8.41-8.448=-0.038mV,測量值實(shí)際熱電勢E=8.338-(-0.038)=8.376(mV)。查分度表得到與8.376mV對應(yīng)的溫度值為893.5℃，就是熱端的實(shí)際溫度值。
       由此可見,使用補(bǔ)償導(dǎo)線與計(jì)算校正法,需多次查對應(yīng)熱電偶的分度表并計(jì)算,因此它只適用于實(shí)驗(yàn)室測溫,對于現(xiàn)場的直讀式儀表測溫,用該方法補(bǔ)償是很不方便的,如果精度要求不高時(shí)，可用校正儀表的機(jī)器零點(diǎn)法或電橋補(bǔ)償法或恒溫器法。
3熱電偶測溫系統(tǒng)的實(shí)用測溫線路及顯示儀表
3.1工業(yè)用熱電偶單點(diǎn)測溫的基本線路
       如圖2所示,熱電偶測溫線路由熱電偶組件、顯示儀表及中間連接部分(熱電轉(zhuǎn)換器、補(bǔ)償導(dǎo)線、銅導(dǎo)線等)組成。在連接時(shí),除了同種導(dǎo)線的接點(diǎn)外，還必須注意熱電偶冷端和補(bǔ)償導(dǎo)線接點(diǎn)的兩個(gè)端子應(yīng)分別保持在同--溫度下，否則將引起測溫誤差。

3.2工業(yè)用熱電偶測量多點(diǎn)溫度的基本線路
       如圖3所示,用同型號的多只熱電偶進(jìn)行多點(diǎn)溫度測量時(shí),共用一臺顯示儀表和一-只實(shí)現(xiàn)冷端溫度補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償熱電偶。為了節(jié)省補(bǔ)償導(dǎo)線,這組同型號的熱電偶經(jīng)過比較短的補(bǔ)償導(dǎo)線分別引到感受環(huán)境溫度、但本身溫度分布又比較均勻的接線板上，再用導(dǎo)線依次接到切換開關(guān)上,由切換開關(guān)最后接到顯示儀表上去。用補(bǔ)償導(dǎo)線做成的補(bǔ)償熱電偶反向串接在儀表回路中,補(bǔ)償熱電偶的冷端在接線板上,熱端維持恒溫T。,這樣,不論切換開關(guān)把哪一個(gè)熱電偶接到顯示儀表上，只要保證熱電偶相同,都可得到上述結(jié)果。多點(diǎn)測量電路常用于自動巡回檢測中,測量點(diǎn)可多達(dá)幾十個(gè)。