熱電偶溫度測試原理及應用分析

摘要：文章論述了溫度測量原理，熱電偶測溫時(shí)的冷端處理方法，并分析了熱電偶測量溫度時(shí)的誤差來(lái)源，并提出了合理的減小誤差的方法，為溫度測量提供有效參考。
0引言
溫度是表征物體冷熱程度的物理量。從微觀(guān)上來(lái)說(shuō)，分子運動(dòng)越劇烈，溫度越高，溫度表示的是分子的平均動(dòng)能；從宏觀(guān)上來(lái)說(shuō)，溫度是建立在熱平衡的基礎上。當兩個(gè)冷熱不同的物體相互接觸時(shí)，其熱量會(huì )從較熱的物體傳送到較冷的物體上，以達到熱量平衡，即溫度相等。所以，溫度只能通過(guò)物體隨溫度變化的某些其他物理特征來(lái)間接表述，不能直接測量。測溫的方式可以分為接觸式測量和非接觸式測量。非接觸式測量指的是測量過(guò)程中，傳感器不與被測物體直接接觸，而是利用物體的輻射能量隨溫度的變化情況來(lái)檢測。接觸式測量指的是傳感器與被測量物體直接接觸，感受到物體的溫度變化。
　　熱電偶是一種接觸式測量方法，熱電偶測量溫度的范圍比較寬，能夠滿(mǎn)足大部分場(chǎng)合的溫度范圍需求。且接觸式測量的精度比較高，性能穩定，成本較低。熱電偶輸出的信號可以進(jìn)行遠距離傳輸，因此在測點(diǎn)需求比較多的情況下，可以實(shí)現集中監測和采集。熱電偶的動(dòng)態(tài)特性良好，能夠滿(mǎn)足快速變化的溫度測量需求。
熱電偶在工業(yè)測量溫度的領(lǐng)域中使用比較廣泛，其與鉑熱電阻的使用量占到整個(gè)溫度傳感器總量的60%左右，熱電偶一般都是與顯示儀表等共同來(lái)使用的，經(jīng)常使用的熱電偶一般可以分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類(lèi)，其中標準化熱電偶，即按國家的標準規定了其熱電勢與其溫度的關(guān)系、允許誤差、并有標準分度表的熱電偶，并且有與其可配套的顯示儀表供選用；非標準化的熱電偶在使用范圍和數量級上均不及標準化的熱電偶，通常也沒(méi)有統一的分度表，主要用于某些特殊情形下的測量。熱電偶是一種發(fā)展比較完善的熱電傳感器，它不僅是一種感溫元件，還是一種儀表。熱電偶把直接測得的溫度信號轉換成熱電勢信號，再通過(guò)電氣儀表（二次儀表）轉化成被測介質(zhì)的溫度。
1熱電偶測溫原理
1.1熱電效應
　　受熱物體中的電子，會(huì )隨溫度梯度從高溫區向低溫區移動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生電流或電荷堆積，這種現象稱(chēng)為熱電效應。熱電偶基于的原理就是熱電效應。如圖1所示，兩種不同的導體或半導體分別為A和B，組成一個(gè)閉合回路。當A與B相接的兩個(gè)接點(diǎn)溫度T和T0不同時(shí)，就會(huì )在回路中產(chǎn)生一個(gè)電勢EAB，此閉合回路就是熱電偶。熱電偶的兩個(gè)連接點(diǎn)中，其中一點(diǎn)置于溫度場(chǎng)中用來(lái)測量溫度，此為熱端，另一端為參考端，稱(chēng)為冷端。冷端與測量?jì)x表相連。如果熱端和冷端存在溫差，測量?jì)x表就可以測量出熱端被測介質(zhì)的溫度。熱電勢的大小是隨著(zhù)溫度變化而變化的，其變化關(guān)系為：
 
　　其中，EAB(T,T0)為熱電勢，EAB(T,0)是溫度為T(mén)時(shí)的接觸電勢，EAB(T0,0)是溫度為T(mén)0時(shí)的接觸電勢。
　　當構成熱電偶的材料均勻時(shí)，熱電勢的大小僅和材料的成分，以及冷端熱端的溫差有關(guān)。與熱電偶電極的幾何尺寸無(wú)關(guān)。測量中通常要求冷端溫度恒定，此時(shí)熱電勢是被測溫度T的單值函數。
1.2傳感器的冷端補償
　　在實(shí)際測量時(shí)，溫度測量的目的是測得以0℃為基準的熱端的溫度t，而式（1）中的熱電勢EAB(T,T0)卻反映的是熱端和冷端的相對電勢，因此，只有將冷端置于冰水混合物中，才能使冷端不受外界溫度的影響始終保持為0℃，此時(shí)EAB對應于標準分度表的溫度才是熱端的實(shí)際溫度。但實(shí)際測量過(guò)程中，因為冷端處在外界環(huán)境中，受環(huán)境溫度影響很大，所以保持冷端溫度恒定很困難，因此，使用熱電偶測溫的過(guò)程中需要冷端補償。
 
根據式（1）可得
 
　　即只需要將測量得到的熱電勢EAB(T,T0)加上冷端修正熱電勢EAB(T0，0)即可得到熱電偶測量端熱電勢EAB(T,0)，通過(guò)查詢(xún)標準溫度表即可得到熱端溫度T?；蛘呃涠颂幱诤銣丨h(huán)境，即T0已知的情況下，也可以方便地測得熱端溫度T。冷端補償就是通過(guò)不斷的修正熱電勢EAB(T0，0)，或者修正T0值進(jìn)而得到熱端溫度T的過(guò)程。
　　一般情況下，修正T0值補償只需要將冷端放于恒溫環(huán)境中即可。而熱電勢EAB(T0，0)可以使用橋路補償。如圖2所示，圖中R4用銅絲繞制，R1、R2、R3用錳銅絲繞制。當溫度變化時(shí)，由于R4的阻值變化，使電橋輸出一不平衡電壓，用以補償熱電偶冷端溫度變化引起的誤差。一般橋路在溫度為20℃時(shí)輸出為零，偏離20℃時(shí)就輸出補償電動(dòng)勢。電橋平衡點(diǎn)設在溫度20℃，因此在使用時(shí)還必須對顯示儀表的指示值加以修正，修正到0℃時(shí)的輸出。電橋補償法已有標準的冷端溫度補償器供應，對應用不同的熱電偶，可以采用不同型號的冷端溫度補償器。這種方法主要用于熱電偶配動(dòng)圈的顯示儀表中，在自動(dòng)平衡式電子電位差計中對冷端溫度補償已在測量電橋中有考慮。
2熱電偶測量溫度的誤差
2.1分度誤差
　　工業(yè)上常用的熱電偶都用標準分度表分度，因此造成具體使用的熱電偶與標準分度表之間的誤差。即使對非標準化熱電偶采用單獨分度，由于被分度的熱電偶熱電特性的波動(dòng)，分度時(shí)所采用的標準儀器及裝置的誤差亦會(huì )造成分度誤差。
 
2.2儀表誤差
　　熱電偶測溫必須和顯示記錄儀表配合使用。因此儀表的誤差將引入測量結果中。
2.3冷端處理誤差
　　上述的冷端處理方法中，若恒溫法中有溫度波動(dòng)，自動(dòng)補償法中有補償誤差及延伸導線(xiàn)熱電特性的不一致等都會(huì )造成誤差。
2.4接線(xiàn)誤差
　　與熱電偶配用的如果是動(dòng)圈式儀表，這時(shí)由于線(xiàn)圈內阻較低，因此接線(xiàn)電阻波動(dòng)對輸出有影響，為消除這一影響，可設法使熱電偶電阻，接線(xiàn)電阻與儀表內阻之和為常數或選用高內阻的儀表。
2.5漏電誤差
　　不少無(wú)機絕緣材料的絕緣電阻值隨它本身溫度的升高而減小。由于絕緣材料的絕緣不好，特別是在高溫時(shí)，其絕緣性顯著(zhù)變差，因而可以分流熱電動(dòng)勢的輸出，另外也可能把被測對象所用之電源電壓泄漏到熱電偶回路中，這些都將造成漏電誤差。為減少此誤差，必須保證熱電偶有良好的絕緣。