熱電偶測溫的應用研究

熱電偶測溫的應用研究摘要：溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是工業(yè)生產和科學實驗中最普通、最重要的熱工參數之一。物體的許多物理現象和化學性質都與溫度有關，許多生產過程均是在一定的溫度范圍內進行的。因此，溫度的測量是保證生產正常進行、確保產品質量和安全生產關鍵環(huán)節(jié)。本文主要研究熱電偶的測溫原理及應用。關鍵詞：熱電偶；帕爾帖定理；三大定律1、測溫原理兩種電子密度不同的導體構成閉合回路,如果兩接頭的溫度不同,回路中就有電流產生,這種現象成為熱電現象,相應的電動勢成為溫差電勢或熱電勢,它與溫度有一定的函數關系,利用此關系就可測量溫度。這種現象包含的原理有:帕爾帖定理----不同材料結合在一起,在其結合面產生電勢；湯姆遜定理---由溫差引起的電勢。

當組成熱電偶的導體材料均勻時,其熱電勢的大小與導體本身的長度和直徑大小無關,只與導體材料的成分及兩端的溫度有關。因此,用各種不同的導體或半導體可做成各種用途的熱電偶,以滿足不同溫度對象測量的需要。從熱電偶測溫原理我們總結出三大定律：a.均勻導體定律，由單一均質金屬所形成之封閉回路，沿回路上每一點即使改變溫度也不會有電流產生；由兩種均質金屬材料A與B所形成的熱電偶回路中，熱電勢E與接點處溫度t1、t2的相關函數關系，不受A與B之中間溫度之影響。b.中間金屬定律，在由A與B所形成之熱電偶回路兩接合點以外的任意點插入均質的第三金屬C，C之兩端接合點之溫度t3若為相同的話，E不受C插入之影響；在由A與B所形成之熱電偶回路，將A與B的接合點打開并插入均質的金屬C時，A與C接合點的溫度與打開前接合點的溫度相等的話，E不受C插入的影響。c.中間溫度定律，任意數的異種金屬所形成的封閉回路，封閉回路之全體或是全部的接合點保持在相等的溫度時，此回路的電勢為零。2、熱電偶的結構

熱電偶是有兩根不同導體(或稱電極)構成的.這兩根導體一端焊接在一起,成為熱端(或稱工作端),測溫時將此端處于被測介質中。另一端稱為冷端(或自由端),接入二次儀表(顯示儀表)或電測設備。

a.普通型熱電偶:是應用最多的,主要用來測量氣體、蒸汽和液體等介質的溫度。根據測溫范圍及環(huán)境的不同,所用的熱電偶電極和保護套管的材料也不同,但因使用條件基本類似,所以這類熱電偶已標準化、系列化。按其安裝時的連接方法可分為螺紋連接合法蘭連接兩種。

b.鎧裝熱電偶:又稱纜式熱電偶,是由熱電極(多數采用的是鉑絲,也有用鎳絲的)、絕緣材料(通常為氧化鎂粉末)和金屬保護管三者結合,經拉制而成一個堅實的整體。鎧裝熱電偶有單支(雙芯)和雙支(四芯)之分,其測量端有露頭型、接殼型和絕緣型三種基本形式。3、熱電偶安裝及注意事項a.在管道安裝中，感溫元件的工作端應置于管道中流速最大處。熱電偶的保護套管的末端應越過流束中心線5~10mm。b.感溫元件與被測介質形成逆流，應迎著氣流流向插入，至少應與被測介質流束方向成90°。特別情況下也不能順流安裝測溫元件，否則會產生測溫誤差。c.插深一般不應小于300mm，如果插入深度不夠，外露部分又空氣流通，這樣所測出的溫度比實際溫度低3~4度。d.在測溫元件安裝時，應防止電磁場干擾的引入而影響準確測量。在接線時一定要確保良好接觸，擰緊空心螺栓，然后蓋緊接線盒蓋子，對不得不露在空中的熱電偶最好加防雨措施，以防雨淋損壞元件。為保護補償導線不受外來的機械損傷和由于外磁場而造成對儀表的影響，補償導線應加以屏蔽，并且不準有曲折迂回的情況。e.熱電偶和熱電阻應盡量垂直裝在水平或垂直管道上，安裝時應有保護套管，以方便檢修和更換。f.測量管道內溫度時，元件長度應在管道中心線上（即保護管插入深度應為管徑的一半）。g.熱電偶的冷端應處在同一環(huán)境溫度下，應使用同型號的補償導線，且正負要接對。h.高溫區(qū)使用耐高溫電纜或耐高溫補償線。4、冷端溫度補償 在工業(yè)上使用時要使冷端保持在零度比較困難，所以必須根據不同的使用條件和要求的測量精度對熱電偶冷端溫度采用一些不同的處理辦法，主要有以下幾種。 a.冰點槽法，就是把熱電偶的冷端放入冰水混合物容器里，使T0=0℃。這種辦法僅限于在科學實驗中使用。為了避免冰水導電引起兩個連接點短路，必須把連接點分別置于兩個玻璃試管里，浸入同一冰點槽，使相互絕緣。b.計算修正法，就是用普通室溫計算出冷端實際溫度TH，利用公式計算：EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)c.補正系數法，把冷端實際溫度TH乘上系數k，加到由EAB(T,TH)查分度表所得的溫度上，成為被測溫度T。用公式表達即：T=T′+k×TH，式中：T—為未知的被測溫度；T′—為參考端在室溫下熱電偶電勢與分度表上對應的某個溫度；TH—室溫；k—為補正系數。d.零點遷移法，應用中如果冷端不是0℃，但十分穩(wěn)定(如恒溫車間或有空調的場所)。實質上是在測量結果中人為地加一個恒定值，因為冷端溫度穩(wěn)定不變，電動勢是常數，利用指示儀表上調整零點的辦法，加大某個適當的值而實現補償。e.補償器法，利用不平衡電橋產生熱電勢補償熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢的變化值。f.軟件處理法，對于計算機系統(tǒng)，不必全靠硬件進行熱電偶冷端處理。例如冷端溫度恒定但不為0℃的情況，只需在采樣后加一個與冷端溫度對應的常數即可。5、常見故障分析故障現象可能原因

處理方法

熱電偶比實際值小熱電極短路找出短路原因,如因潮濕所至,則需要進行干燥;如因絕緣端子損壞所至,則需更換絕緣子熱電偶的接線柱處積灰,造成短路

清掃積灰補償導線線間短路找出短路點,加強絕緣或更換補償導線熱電偶熱電極變質

在長度允許的情況下,剪去變質段重新焊接,或更換新熱電偶補償導線與熱電偶極性接反重新接正確補償導線與熱電偶不配套更換相配套的補償導線熱電偶安裝位置不當或插入深度不符合要求重新按規(guī)定安裝熱電偶冷端溫度補償不符合要求調整冷端補償器熱電偶與顯示儀表不配套更換熱電偶或顯示儀表使之相配

熱電勢比實際值大

熱電偶與顯示儀表不配套

更換熱電偶或顯示儀表使之相配補償導線與熱電偶不配套更換相配套的補償導線有直流干擾信號進入排除直流干擾

熱電勢輸出不穩(wěn)定熱電偶接線柱與熱電極接觸不良

將接線柱螺絲擰緊

熱電偶安裝不牢或外部震動緊固熱電偶,消除震動或采取減震措施熱電極將斷未斷

修復或更換熱電偶外界干擾(交流漏電,電磁感應等)

查出干擾源,采取屏蔽措施

熱電偶熱電勢誤差大熱電極變質

更換熱電極熱電偶安裝位置不當改變安裝位置保護管表面積灰