淺談熱電偶溫度計在工控測溫中的應用

      熱電偶溫度計它擔負著(zhù)對生產(chǎn)過(guò)程的檢測和控制,是保證生產(chǎn)連續、高效、安全和無(wú)熱污染運行的關(guān)鍵。熱電偶的測溫范圍廣,可以在1K至2800℃的范圍內使用,精度高,性能穩定,結構簡(jiǎn)單,動(dòng)態(tài)特性好，由溫度轉換的電信號便于處理和遠傳,在工農業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護和能源節約中發(fā)揮著(zhù)重要作用。
一、測溫原理
      由兩種不同的金屬A和B構成一個(gè)閉合回路，當兩個(gè)接觸端的溫度不同即T> T0時(shí)，回路中會(huì )產(chǎn)生熱電勢E。約定T端為熱端、工作端或測量端,T0端為冷端、自由端或參比端,A和B稱(chēng)為熱電極,電勢E的大小是由接觸電勢和溫差電勢所決定的。
      兩種不同金屬接觸產(chǎn)生接觸電動(dòng)勢:由于金屬導體材料不同,金屬導體內部的自由電子密度也不同,當兩種不同的金屬導體A和B接觸時(shí)，自由電子就會(huì )從密度大的導體擴散到密度小的導體中去,從面產(chǎn)生自由電子的擴散現象。若A導體的自由密度比B導體的自由密度大,將會(huì )有較多的自由電子從A導體擴散到B導體中，直到兩導體電子密度達到平衡,這樣導體A因失去電子帶上正電荷，而導體B得到電子帶上負電荷,這樣A和B接觸點(diǎn)就形成- -定的電位差，我們稱(chēng)之為接觸電勢。
在同一導體中，當導體兩端的溫度不同即T>T0時(shí),兩端電子能量就不同,溫度高的一端電子能量大,電子就會(huì )從高溫端擴散到低溫端，最后達到一個(gè)電子密度平衡,這樣導體的兩端形成一定的電位差稱(chēng)之為溫差電勢。
二、熱電偶的定則
1.導體均質(zhì)。由一種均質(zhì)導體所組成的閉合回路,熱電勢不受導體的截面積和各處的溫度影響。
2.中間導體溫度相等。在熱電偶回路中接人的中間導體兩端溫度相等,對回路總電動(dòng)勢沒(méi)有影響。
3.連接導線(xiàn)。在熱電偶回路中，使用與熱電偶特性相同
的導線(xiàn),可以延長(cháng)熱電偶的參比端,不影響測溫的正確性。
4.中間溫度。處理參考端不等于0 C時(shí)的定則,當導體A和B的延長(cháng)線(xiàn)材料分別相同,所處溫度有T.Tn .T0,其中Tn為延長(cháng)導線(xiàn)的溫度,熱電偶總的熱電勢為E(T,Tn,T0)=E(T,Tn) + E(Tn,T0)
三.、熱電偶的冷端處理與補償
      熱電偶的熱電勢不僅與工作端溫度T有關(guān),還與參比端T0有關(guān),只有固定參比端溫度,才會(huì )通過(guò)熱電勢的大小來(lái)判斷熱點(diǎn)溫度的高低,若參比端溫度波動(dòng)較大時(shí),就需要使用補償導線(xiàn)將冷端延長(cháng)到一個(gè)溫度相對穩定的地方,然后處理冷端。
1.補償導線(xiàn)法。熱電偶補償導線(xiàn)一般是由補償導線(xiàn)合金絲、絕緣層、保護套和屏蔽層組成,在100℃以下的常溫范圍，補償導線(xiàn)具有與所匹配的熱電偶的熱電勢標稱(chēng)值相同的特性,用它連接熱電偶可以延長(cháng)熱電偶的參比端。補償導線(xiàn)分延長(cháng)型導線(xiàn)和補償型導線(xiàn)兩種。其優(yōu)點(diǎn)是提高線(xiàn)路的繞性,布線(xiàn)接線(xiàn)方便,同時(shí)可以調節小路電阻和屏蔽外界的干擾,最主要是降低了線(xiàn)路成本。
補償導線(xiàn)選接原則:同種補償導線(xiàn)配同種熱電偶;補償導線(xiàn)的正負極按顏色接正確;補償導線(xiàn)使用長(cháng)度要在15米以?xún)?以增強抗干擾性。
2.計算修正法。在生產(chǎn)現場(chǎng)應用中,熱電偶的參比端延長(cháng)后,周?chē)h(huán)境溫度往往不是設定的標準溫度,這時(shí)測量出來(lái)的回路熱電勢要小于實(shí)際值,所以在計算時(shí)需要加上環(huán)境溫度Tn與參考端溫度TO(T0=0℃)之間溫差所產(chǎn)生的熱電勢,這樣才能符合熱電偶的分度表的要求。由連接導體和中間溫度定則，可以正確計算出被測溫度T。Tn可以輻射測溫儀測出或室內溫度計測量周?chē)h(huán)境溫度。
3.冷端補償器法。冷端補償器是-一個(gè)直流不平衡電橋,在它的四個(gè)橋臂中有一個(gè)是銅電阻作為測溫元件，其他三個(gè)臂由阻值恒定的錳銅電阻制。Reu在0℃下的電阻值和其他三個(gè)橋臂R1,R2, R3完全相等,使電橋處于平衡狀態(tài),當冷端T0>0℃時(shí), 回路熱電勢將會(huì )減小，這是由于Reu增大,使電橋不平衡。若限流電阻R選擇合適,可使被測增大值恰好等于回路熱電勢減小值，避免T0的變化帶來(lái)的影響，這樣就把冷端置于0℃,完成熱電偶冷端處理和補償功能。
4.軟件修正法。采用這種方法需要將熱電勢信號通過(guò)補償導線(xiàn)與采集卡.上的輸人端子連接起來(lái)，并接人熱敏電阻。在信號采集卡驅動(dòng)程序的支持下,計算機每次掃描時(shí)采集熱電偶電動(dòng)勢和熱敏電阻信號，根據熱敏電阻信號計算出E(Tn,0)值,再由中間溫度定則計算出E(T,0)值這樣就可以得到正確的溫度T值。
四、工程測量校驗與應用
      在高爐的熱電偶測量點(diǎn)應用中，溫度變送器所處的參比端環(huán)境溫度為30℃,選用K型熱電偶測溫,測得參比端處的熱電勢為24.9mV,校驗被測點(diǎn)實(shí)際溫度,檢驗溫度變送器工作情況。
根據連接導體和中間溫度定則有:
E(T,0)=E(T，30)+E(30,0)
因為E(30,0)=1.203 mV
E(T,30)=24.90 mV
所以E(T,0)=24.9+ 1.203=26.103 mV
      反查K分度表，得知被測點(diǎn)實(shí)際溫度是T-628.3 ℃,若儀表顯示的溫度與計算后的數值相差較大,需要進(jìn)一步檢查現場(chǎng)儀表。
五、結語(yǔ)
      熱電偶測量的是點(diǎn)溫度,精度較高,工業(yè)中它與溫度變送器連接，轉化為標準信號進(jìn)行遠傳，實(shí)現遠程自動(dòng)控制,從而廣泛應用于工控自動(dòng)化中，在過(guò)程檢測和控制中起著(zhù)重要作用。