熱電偶完整分

熱電偶簡介熱電偶具有簡單、可靠、測量精度較高等特點，是一種應(yīng)用廣泛的測溫元件，工業(yè)生產(chǎn)中的許多儀器設(shè)備都要用熱電偶測溫、控溫，在熱加工中熱電偶的應(yīng)用更是必不可少，另外在汽車、家用電器中也經(jīng)常使用熱電偶。

熱電偶圖片熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件，是由兩種不同成分的導(dǎo)體兩端接合成回路時，當(dāng)兩接合點熱電偶溫度不同時，就會在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流。如果熱電偶的工作端與參比端存有溫差時，顯示儀表將會指示出熱電偶產(chǎn)生的熱電勢所對應(yīng)的溫度值。熱電偶的熱電動熱將隨著測量端溫度升高而增長，它的大小只與熱電偶材料和兩端的溫度有關(guān)，與熱電極的長度、直徑無關(guān)。各種熱電偶的外形常因需要而極不相同，但是它們的基本結(jié)構(gòu)卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套保護管和接線盒等主要部分組成，通常和顯示儀表，記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用。熱電偶測量原理圖測量原理將不同材料的導(dǎo)體A、B接成閉合回路（圖1a），接觸點的一端稱測量端，一端稱參比端。若測量端和參比端所處溫度t和t0不同，則在回路的A、B之間就產(chǎn)生一熱電勢EAB(t，t0)，因而在回路中形成一個電流，這種現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)，即熱電效應(yīng)。EAB大小隨導(dǎo)體A、B的材料和兩端溫度t和t0而變，這種回路稱為原型熱電偶。在實際應(yīng)用中（圖1b），將A、B的一端焊接在一起作為熱電偶的測量端放到被測溫度t處，而將參比端分開，用導(dǎo)線接入顯示儀表，并保持參比端接點溫度t0穩(wěn)定。顯示儀表所測電勢只隨被測溫度t變化。熱電偶的特點1、測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。

2、測量范圍廣。常用的熱電偶從-50~1600℃均可邊續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達2800℃（如鎢-錸）。

3、構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。熱電偶補償導(dǎo)線由于熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴金屬時），而測溫點到儀表的距離都很遠，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，通常采用補償導(dǎo)線把熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到儀表端子上。必須指出，熱電偶補償導(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，不起補償作用。因此，還需采用其他修正方法來補償冷端溫度t0≠0℃時對測溫的影響。在使用熱電偶補償導(dǎo)線時必須注意型號相配，極性不能接錯，補償導(dǎo)線與熱電偶連接端的溫度不能超過100℃。熱電偶補償導(dǎo)線熱電偶回路的四個基本定則均質(zhì)導(dǎo)體定則由同一種均質(zhì)材料（導(dǎo)體或半導(dǎo)體）兩端焊接組成閉合回路，無論導(dǎo)體截面如何以及溫度如何分布，將不產(chǎn)生接觸電勢，溫差電勢相抵消，回路中總電勢為零?？梢?，熱電偶必須由兩種不同的均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體構(gòu)成。若熱電極材料不均勻，由于溫度梯存在，將會產(chǎn)生附加熱電勢。中間導(dǎo)體定則在熱電偶回路中接入中間導(dǎo)體（第三導(dǎo)體），只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，中間導(dǎo)體的引入對熱電偶回路總電勢沒有影響，這就是中間導(dǎo)體定律。應(yīng)用：依據(jù)中間導(dǎo)體定律，在熱電偶實際測溫應(yīng)用中，常采用熱端焊接、冷端開路的形式，冷端經(jīng)連接導(dǎo)線與顯示儀表連接構(gòu)成測溫系統(tǒng)。有人擔(dān)心用銅導(dǎo)線連接熱電偶冷端到儀表讀取mV值，在導(dǎo)線與熱電偶連接處產(chǎn)生的接觸電勢會使測量產(chǎn)生附加誤差。根據(jù)這個定律，是沒有這個誤差的！中間溫度定則熱電偶回路兩接點（溫度為T、T0）間的熱電勢，等于熱電偶在溫度為T、Tn時的熱電勢與在溫度為Tn、T0時的熱電勢的代數(shù)和。Tn稱中間溫度。應(yīng)用：由于熱電偶E-T之間通常呈非線性關(guān)系，當(dāng)冷端溫度不為0℃時，不能利用已知回路實際熱電勢E（t,t0）直接查表求取熱端溫度值；也不能利用已知回路實際熱電勢E（t,t0）直接查表求取的溫度值，再加上冷端溫度確定熱端被測溫度值，需按中間溫度定律進行修正。初學(xué)者經(jīng)常不按中間溫度定律參考電極定則這個定律是專業(yè)人士才研究、關(guān)注的，一般生產(chǎn)、使用環(huán)節(jié)的人士不太了解，簡單說明就是：用高純度鉑絲做標(biāo)準(zhǔn)電極，假設(shè)鎳鉻-鎳硅熱電偶的正負(fù)極分別和標(biāo)準(zhǔn)電極配對，他們的值相加是等于這支鎳鉻-鎳硅的值。常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。

標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶中國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。熱電偶的結(jié)構(gòu)形式為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對它的結(jié)構(gòu)要求如下：熱電偶的結(jié)構(gòu)要求1、組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固；

2、兩個熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣，以防短路；

3、補償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；

4、保護套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。熱電偶的種類裝配熱電偶，鎧裝熱電偶，端面熱電偶，壓簧固定熱電偶，高溫?zé)犭娕?，鉑銠熱電偶，防腐熱電偶，耐磨熱電偶，高壓熱電偶，特殊熱電偶，手持式熱電偶，微型熱電偶，貴金屬熱電偶，快速熱電偶，鎢錸熱電偶，單芯鎧裝熱電偶等等。

根據(jù)測溫環(huán)境不同，以及使用方法等不同，將熱電偶分為裝配式熱電偶和鎧裝熱電偶兩大類。工業(yè)用裝配式熱電偶作為測量溫度的變送器通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用。它可以直接測量各種生產(chǎn)過程中從0℃到1800℃范圍的液體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。鎧裝熱電偶的優(yōu)越性具有能彎曲、耐高壓、熱響應(yīng)時間快和堅固耐用等許多優(yōu)點，它和工業(yè)用裝配式熱電偶一樣,作為測量溫度的變送器，通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用，同時亦可作鎧裝熱電偶為裝配式熱電偶的.它可以直接測量名種生產(chǎn)過程中從0~800℃范圍內(nèi)的液體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體表面的溫度。冷端溫度補償方法熱電偶的冷端溫度補償方法很多，主要有：冷端恒溫法、補償導(dǎo)線法、計算修正法、電橋補償法、顯示儀表零點調(diào)整法、集成溫度傳感器補償法等。合理選擇熱電偶的冷端溫度補償方法是能否實現(xiàn)精確測溫的關(guān)鍵。冷端恒溫法冷端恒溫法（冰浴法），即將熱電偶的冷端置于冰水混合物內(nèi)，使其保持為0℃，通過試用發(fā)現(xiàn)冰浴法使用極不方便，長時間使用時需要不斷調(diào)整冰水，防止水溫升高，另外需要保證浸入水中部分具有良好的密封性，因此此方法不適用于箱式爐自動控溫系統(tǒng)，但在實驗室使用較多。補償導(dǎo)線法補償導(dǎo)線法是利用0~150℃范圍內(nèi)與熱電極熱電特性相同的廉價金屬材料，將熱電偶的冷端延伸到溫度更接近于0℃且穩(wěn)定的地方，如圖1所示。圖中A、B為熱電極，A′、B′為補償導(dǎo)線，C為第三種導(dǎo)體。利用補償導(dǎo)線，無論熱電偶的實際冷端溫度如何變化，消除了指示誤差，完成了冷端溫度補償。導(dǎo)線補償法花費較低，但仍需要一個接近于零度的恒溫環(huán)境，所以此方法也不適用于箱式爐自動控溫系統(tǒng)。

計算修正法在熱電偶冷端溫度恒定但不為零時，根據(jù)中間溫度定律進行計算修正來減小測量誤差。該方法計算比較繁瑣，同時還需要恒定的熱電偶冷端溫度。電橋補償法在熱電偶的冷端接入一個電橋，當(dāng)熱電偶冷端溫度變化引起回路的熱電動勢變化時，電橋產(chǎn)生一個大小相近、極性相反的電壓加入其中，消除或消弱冷端溫度的影響，如下圖所示：電橋補償法線路簡單、成本較低、適用于環(huán)境溫度在－25～80℃的范圍內(nèi)。其他補償方法除了上述方法，還有二極管補償法、集成溫度傳感器補償法、恒溫遷移補償法、軟件補償法、最小二擬合法等等。二極管補償法是利用二極管兩端電壓隨溫度變化特性對熱電偶進行溫度補償。集成溫度傳感器補償法是由溫度傳感器測得冷端溫度，與熱電偶所測溫差疊加，再得到熱端溫度。恒溫遷移補償法是人為顯示或記錄儀表零點調(diào)到環(huán)境溫度。熱電偶的安裝要求對熱電偶的安裝，應(yīng)注意有利于測溫準(zhǔn)確，安全可靠及維修方便，而且不影響設(shè)備運行和生產(chǎn)操作.要滿足以上要求，在選擇對熱電偶的安裝部位和插入深度時要注意以下幾點：1、為了使熱電偶的測量端與被測介質(zhì)之間有充分的熱交換，應(yīng)合理選擇測點位置，盡量避免在閥門，彎頭及管道和設(shè)備的死角附近裝設(shè)熱電偶.2、帶有保護套管的熱電偶有傳熱和散熱損失，為了減少測量誤差，熱電偶應(yīng)該有足夠的插入深度：（1）對于測量管道中心流體溫度的熱電偶，一般都應(yīng)將其測量端插入到管道中心處（垂直安裝或傾斜安裝）.如被測流體的管道直徑是200毫米，那熱電偶插入深度應(yīng)選擇100毫米；（2）對于高溫高壓和高速流體的溫度測量（如主蒸汽溫度），為了減小保護套對流體的阻力和防止保護套在流體作用下發(fā)生斷裂，可采取保護管淺插方式或采用熱套式熱電偶.淺插式的熱電偶保護套管，其插入主蒸汽管道的深度應(yīng)不小于75mm;熱套式熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)插入深度為100mm;（3）假如需要測量是煙道內(nèi)煙氣的溫度，盡管煙道直徑為4m，熱電偶或熱電阻插入深度1m即可.（4）當(dāng)測量原件插入深度超過1m時，應(yīng)盡可能垂直安裝，或加裝支撐架和保護套管.熱電偶的正確使用正確使用熱電偶不但可以準(zhǔn)確得到溫度的數(shù)值，保證產(chǎn)品合格，而且還可節(jié)省熱電偶的材料消耗，既節(jié)省資金又能保證產(chǎn)品質(zhì)量。安裝不正確，熱導(dǎo)率和時間滯后等誤差，它們是熱電偶在使用中的主要誤差。1、安裝不當(dāng)引入的誤差如熱電偶安裝的位置及插入深度不能反映爐膛的真實溫度等，換句話說，熱電偶不應(yīng)裝在太靠近門和加熱的地方，插入的深度至少應(yīng)為保護管直徑的8～10倍；熱電偶不能安裝在被測介質(zhì)很少流動的區(qū)域內(nèi)，當(dāng)用熱電偶測量管內(nèi)氣體溫度時，必須使熱電偶逆著流速方向安裝，而且充分與氣體接觸。2、絕緣變差而引入的誤差如熱電偶絕緣了，保護管和拉線板污垢或鹽渣過多致使熱電偶極間與爐壁間絕緣不良，在高溫下更為嚴(yán)重，這不僅會引起熱電勢的損耗而且還會引入干擾，由此引起的誤差有時可達上百度。3、熱惰性引入的誤差由于熱電偶的熱惰性使儀表的指示值落后于被測溫度的變化，在進行快速測量時這種影響