熱電偶測溫系統原理及冷端溫度補償

摘要:闡述了熱電偶測溫系統的測溫原理,介紹了冷端的溫度補償方法與其基本測溫線(xiàn)路。
       熱電偶溫度計是以熱電效應為基礎的測溫儀表,測溫精度高,與顯示儀表配合，可廣泛用來(lái)測量氣.體、蒸汽、液體等介質(zhì)-200℃~1600℃范圍內的溫度,特殊情況下可測-2700℃~2800℃,動(dòng)態(tài)響應快,熱慣性小，機械強度高,耐壓性能好,耐高溫可達2800℃,抗震性能好,而且便于信號的遠距離傳送和實(shí)現多點(diǎn)切換測量,能自動(dòng)記錄和集中控制,性能穩定、測量精度高、正確可靠、使用壽命長(cháng)、結構簡(jiǎn)單、制造容易、裝配簡(jiǎn)單、更換方便和使用維護方便，其測量范圍廣,也可作為標準計量,供量值傳遞之用,所以在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中應用廣泛，作為測溫儀表，在建筑環(huán)境與設備工程中應用也非常廣泛。
1熱電偶測溫系統的測溫原理
       熱電偶溫度計由熱電偶、電測儀表和連接導線(xiàn)組成,其測溫原理基于物理學(xué)中熱電效應"現象,就是把任意兩種不同的導體(或半導體)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(huì )產(chǎn)生熱電勢,形成熱電流,這就是“熱電效應”。熱電偶溫度計就是利用該原理，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,并用連接導線(xiàn)連接電氣測量?jì)x表。
       根據熱電偶基本定律之一的中間導體定律,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?jì)x表,測得熱電動(dòng)勢后，即可知道被測介質(zhì)的溫度。
2熱電偶測溫系統的冷端溫度補償方法
       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。因此,要正確地測量溫度,必須使其參考端溫度恒定,熱電偶冷端最好應保持0℃,-般固定在0℃,而在現場(chǎng)條件下使用的儀表則難以實(shí)現，因此必須對其參考端進(jìn)行溫度補償修正,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(xiàn)(或數據)是在冷端溫度為0℃時(shí)得到的,與它配套的儀表也是依據這--關(guān)系進(jìn)行刻度的。但在實(shí)際應用中,其冷端溫度往往高于0℃，且不穩定，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，當熱電偶參考端溫度不為0℃,而是一個(gè)波動(dòng)的溫度時(shí),必須采用恰當的補償方法正確修正,一般工業(yè)，上經(jīng)常使用補償校正的方法如下。
2.1補償導線(xiàn)法和計算校正法兩者相結合的溫度補償方法
       用補償導線(xiàn)將熱電倘的熱電極延長(cháng)到環(huán)境溫度變化較穩定的地方,然后按熱電偶中間溫度定律進(jìn)行熱電勢的修正。
2.2校正儀表機械霉點(diǎn)法
       當熱電偶與動(dòng)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(dòng)圈儀表的機械零點(diǎn)指針調至熱電偶的冷端溫度Tn.這相當于在輸入熱電勢之前就給儀表輸人-一個(gè)補償熱電勢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℃)。即相當于把校正值直接加進(jìn)去,這樣,儀表的讀數就是實(shí)際溫度了。
冷端溫度變化時(shí)需要重新調整儀表的機械零點(diǎn),這種方法用于對測量精度要求不高的場(chǎng)合,此法適宜冷端溫度穩定的場(chǎng)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。該方法必須采用計算校正法予以修正。計算修正法適合于帶計算機的測溫系統。
2.4電橋補償法
       電橋補償法是在熱電偶回路中串接一個(gè)參考端溫度補償器,用來(lái)自動(dòng)補償因熱電偶參考端溫度變化對輸出熱電勢的影響。
       采用冷端溫度補償器的補償法比其他修正方法方便,其補償精度也能滿(mǎn)足熱工測量的要求,它是目前廣泛采用的熱電偶溫度補償處理方法。筆者就補償導線(xiàn)法和計算校正法兩者相結合的溫度補償方法展開(kāi)分析討論。所謂補償導線(xiàn)是在一定的溫度范圍內(一般為0~100℃),具有與所匹配熱電偶熱電動(dòng)勢相同標稱(chēng)值的一對帶有絕緣層的導線(xiàn)，用于連接熱電偶和測量顯示儀表裝置,以補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(cháng)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(dòng)很大,而且測點(diǎn)到控制室室內儀表的距離都很遠,為了節省熱電偶的材料，降低成本，通常采用補償導線(xiàn)把熱電偶的冷端(即自由端)延長(cháng)到溫度比較穩定的控制室內,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,同時(shí)熱電偶線(xiàn)也不易敷設，因為熱電偶參考端溫度多處于常溫(0~100℃)下，補償導線(xiàn)在此溫度范圍內具有與熱電偶相同的溫度一熱電勢關(guān)系,可以起到延長(cháng)熱電偶的作用,且價(jià)格便宜,宜于敷設,所以,在使用熱電偶測溫時(shí),要連接補償導線(xiàn)。
       必須指出:熱電偶補償導線(xiàn)的作用,只起延伸熱電極,使熱電偶的冷端移動(dòng)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，不起補償作用,因此還需根據熱電偶中間溫度定律進(jìn)行熱電勢的修正，即用計算校正法來(lái)補償冷端溫度不為0℃時(shí)對測溫的影響。必須注意:使用補償導線(xiàn)法時(shí),就必須使用計算校正法,對儀表的指示值加以修正,熱電偶冷端補償計算校正方法如下。
從毫伏到溫度:測量冷端溫度,換算為對應毫伏值，與熱電偶的毫伏值相加,求出總熱電動(dòng)勢,反查熱電偶分度表來(lái)求出被測溫度值;前面所說(shuō)的相加是熱電勢的相加,而不是簡(jiǎn)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:某標準s分度(鉑銠10--鉑)熱電偶在900℃時(shí)的熱電勢為8.41mV,當測得熱電勢為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對應的溫度值為893.5℃，就是熱端的實(shí)際溫度值。
       由此可見(jiàn),使用補償導線(xiàn)與計算校正法,需多次查對應熱電偶的分度表并計算,因此它只適用于實(shí)驗室測溫,對于現場(chǎng)的直讀式儀表測溫,用該方法補償是很不方便的,如果精度要求不高時(shí)，可用校正儀表的機器零點(diǎn)法或電橋補償法或恒溫器法。
3熱電偶測溫系統的實(shí)用測溫線(xiàn)路及顯示儀表
3.1工業(yè)用熱電偶單點(diǎn)測溫的基本線(xiàn)路
       如圖2所示,熱電偶測溫線(xiàn)路由熱電偶組件、顯示儀表及中間連接部分(熱電轉換器、補償導線(xiàn)、銅導線(xiàn)等)組成。在連接時(shí),除了同種導線(xiàn)的接點(diǎn)外，還必須注意熱電偶冷端和補償導線(xiàn)接點(diǎn)的兩個(gè)端子應分別保持在同--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(xiàn)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)現冷端溫度補償的補償熱電偶。為了節省補償導線(xiàn),這組同型號的熱電偶經(jīng)過(guò)比較短的補償導線(xiàn)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(xiàn)板上，再用導線(xiàn)依次接到切換開(kāi)關(guān)上,由切換開(kāi)關(guān)最后接到顯示儀表上去。用補償導線(xiàn)做成的補償熱電偶反向串接在儀表回路中,補償熱電偶的冷端在接線(xiàn)板上,熱端維持恒溫T。,這樣,不論切換開(kāi)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,都可得到上述結果。多點(diǎn)測量電路常用于自動(dòng)巡回檢測中,測量點(diǎn)可多達幾十個(gè)。