溫度測(cè)量的精髓之熱電偶測(cè)量篇
第一章 熱電偶的基礎(chǔ)知識(shí)
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1、什么是熱電偶
所謂熱電偶是指由兩種不同材質(zhì)的金屬導(dǎo)體構(gòu)成的溫度傳感器。與其他溫度計(jì)（水銀溫度計(jì)、熱敏電阻等）相比較，主要用于工業(yè)行業(yè)的熱電偶具有其特點(diǎn)：
①響應(yīng)速度快。
②可進(jìn)行-200℃到+1700℃之間大范圍的溫度測(cè)量。
③可對(duì)特定點(diǎn)和小空間進(jìn)行溫度測(cè)量。
④由于溫度信息可檢測(cè)為電信號(hào)（熱電動(dòng)勢(shì)），信息的處理和分析非常便利。
⑤價(jià)格低廉，易購買。
2、熱電偶的原理
1821年德國科學(xué)家塞貝克（T.J Seebeck）發(fā)現(xiàn)：當(dāng)連接兩種不同金屬，并對(duì)兩端的接點(diǎn)施加不同溫度時(shí)，金屬之間會(huì)產(chǎn)生電壓并有電流通過。這一現(xiàn)象以發(fā)現(xiàn)者的名字命名為“塞貝克效應(yīng)”。該回路中生成電流的電力被稱為熱電動(dòng)勢(shì)（Thermoelectromotive force），其極性和大小僅由兩種導(dǎo)體的材質(zhì)和兩端之間的溫度差決定。
利用前面所說的塞貝克效應(yīng)，熱電偶工作原理為其憑借2種不同金屬的接合處（測(cè)溫接點(diǎn)）T1與熱電偶顯示儀表接點(diǎn)（基準(zhǔn)接點(diǎn)）T0之間的溫度差T，從而產(chǎn)生電壓。使用熱電偶測(cè)量溫度時(shí)，顯示儀表會(huì)測(cè)量該電壓。
熱電偶顯示儀表的測(cè)量方式有以下2種:
1、將基準(zhǔn)接點(diǎn)設(shè)為 0℃（冷端補(bǔ)償），直接讀取溫度。
2、測(cè)量基準(zhǔn)接點(diǎn)的氣溫（基準(zhǔn)接點(diǎn)補(bǔ)償），計(jì)入溫度差△T。
測(cè)量時(shí)，將冷端維持在0℃非常困難。通過測(cè)量端子周圍的溫度，將其與以0℃為基準(zhǔn)的熱電動(dòng)勢(shì)相加，可以獲得測(cè)溫接點(diǎn)的溫度。我們稱之為基準(zhǔn)接點(diǎn)補(bǔ)償。
3、熱電偶的感溫部分位于何處？
下圖是將熱電偶插入裝有熱液體的杯中的示意圖。假設(shè)液體內(nèi)溫度為均勻100℃（無溫度梯度）。此時(shí)，液體內(nèi)的熱電偶部分不會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。熱電動(dòng)勢(shì)只產(chǎn)生于存在溫度梯度的部分。由于熱電偶的感溫部位會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，因此該溫度梯度部位即為熱電偶的感溫部位。
第二章 熱電偶的選擇
1、根據(jù)測(cè)量溫度選擇
熱電偶按照兩種金屬導(dǎo)體的組合方式可分為以下8大種類。
熱電偶分度號(hào) | 熱電偶電極材料 | 測(cè)溫范圍 | |
正極 | 負(fù)極 | ||
B | 含銠為30%的鉑銠合金 | 含銠為6%的鉑銠合金 | +600℃到+1700℃ |
R | 含銠為13%的鉑銠合金 | 鉑 | 0℃到+1100℃ |
S | 含銠為10%的鉑銠合金 | 鉑 | +600℃到+1600℃ |
N | 以鎳、鉻和硅為主的合金 | 以鎳和硅為主的合金 | -200℃到+1200℃ |
K | 以鎳和鉻為主的合金 | 以鎳和鋁為主的合金 | -200℃到+1200℃ |
E | 以鎳和鋁為主的合金 | 以銅和鎳為主的合金 | -200℃到+900℃ |
J | 鐵 | 以銅和鎳為主的合金 | -40℃到+750℃ |
T | 銅 | 以銅和鎳為主的合金 | -200℃到+350℃ |
B型熱電偶、R型熱電偶、S型熱電偶被稱為貴金屬熱電偶，而N型熱電偶、K型熱電偶、E型熱電偶、J型熱電偶、T型熱電偶被稱為廉金屬熱電偶。含有鉑、銠等熔點(diǎn)較高金屬的貴金屬熱電偶被用來測(cè)量+1000℃以上的溫度，而廉金屬熱電偶則常用于測(cè)量+1000℃以下的溫度。
下面描述了各類熱電偶的特征。
【B型熱電偶】 B型熱電偶由于相較其他貴金屬熱電偶，其銠含量更高，所以熔點(diǎn)和機(jī)械強(qiáng)度有所增加，使用壽命長(zhǎng)。電動(dòng)勢(shì)極低，無法測(cè)量低溫區(qū)域。主要用于測(cè)量R型熱電偶/S型熱電偶無法測(cè)量的溫度更高的區(qū)域。 【R型熱電偶和S型熱電偶】 R型熱電偶和S型熱電偶也用于對(duì)耐久性有一定要求的高溫區(qū)域。在我國貴金屬熱電偶中S熱電偶的使用率最高。 【N型熱電偶】 N型熱電偶價(jià)格低廉，用于測(cè)量+1000℃以上的高溫區(qū)域。 【K型熱電偶】 相較于貴金屬熱電偶，K型熱電偶價(jià)格低廉，現(xiàn)在工業(yè)用途中最常見到它的身影。由于其電動(dòng)勢(shì)的直線性良好，具有較高的耐熱和耐腐蝕性，因此可優(yōu)先考慮使用K熱電偶。 【E型熱電偶】 每1℃的電動(dòng)勢(shì)極大，是分辨率良好的類型。特別用于對(duì)溫度進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。 【J型熱電偶】 【T型熱電偶】 T型熱電偶是低溫區(qū)域（-200到＋300℃）下的電動(dòng)勢(shì)特性優(yōu)秀的類型。用于精準(zhǔn)測(cè)量低溫區(qū)域。 |
2、根據(jù)環(huán)境性和響應(yīng)性選擇
為了使熱電偶引線在氧化和腐蝕環(huán)境下具有耐久性，通常將其與外界空氣隔絕。為了與外界空氣隔絕，會(huì)在金屬套管和一對(duì)熱電偶引線之間充填和封入粉末狀的無機(jī)絕緣物質(zhì)，我們將這種加工而成的熱電偶稱為“鎧裝熱電偶”。
以下為鎧裝熱電偶的特點(diǎn)：憑借這些特點(diǎn)，自十多年前投入到實(shí)際應(yīng)用中以來，鎧裝熱電偶的使用變得越來越廣泛。
① 較大的機(jī)械強(qiáng)度使其具有優(yōu)良的彎曲性和耐沖擊性 ② 良好的耐腐蝕性和抗壓性 |
鎧裝熱電偶的測(cè)溫接點(diǎn)有3種類型。根據(jù)使用用途選擇最合適的接點(diǎn)類型。
【接地式】 接地式熱電偶將熱電偶引線直接焊接在套管前端，構(gòu)成測(cè)溫接點(diǎn)。其特點(diǎn)是響應(yīng)快。由于引線與套管導(dǎo)通，不能使用于存在噪音或危險(xiǎn)的場(chǎng)所。 【絕緣式】 絕緣式熱電偶的熱電偶引線與套管完全絕緣，構(gòu)成測(cè)溫接點(diǎn)。其響應(yīng)性不及接地型，但可長(zhǎng)時(shí)間使用，此外也可用于存在噪音或危險(xiǎn)的場(chǎng)所而不受任何影響。 【露端式】 這種熱電偶的熱電偶引線從套管中露出，構(gòu)成測(cè)溫接點(diǎn)。其響應(yīng)性為3種類型中最快，可對(duì)細(xì)微的溫度變化作出反應(yīng)。它可用于諸如引擎測(cè)試等對(duì)快速響應(yīng)性有一定要求的場(chǎng)合。但是強(qiáng)度很低，基本上只作為一次性使用。 |
熱電偶選用非三言兩語可以說清楚，如果您想深入了解這樣方面問題，可通過《在測(cè)溫過程中如何選用熱電偶》參閱更多技術(shù)資料。
第三章 熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線
1、什么是補(bǔ)償導(dǎo)線
所謂補(bǔ)償導(dǎo)線是指用于連接熱電偶與溫度顯示儀表之間的導(dǎo)線。在使用溫度范圍（0℃到+60℃）內(nèi)具有與熱電偶幾乎相同的熱電動(dòng)勢(shì)，因此它主要用于延長(zhǎng)熱電偶。
出于對(duì)下圖所示的溫度梯度考慮。
由于感溫部位存在溫度梯度，補(bǔ)償導(dǎo)線上也會(huì)產(chǎn)生與該溫度差相當(dāng)?shù)臒犭妱?dòng)勢(shì)。熱電偶顯示儀表計(jì)算產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)的合計(jì)值，并顯示為溫度。
2、溫度儀表通過測(cè)量熱電偶電勢(shì)值而顯示溫度
如果按上圖所示不使用補(bǔ)償導(dǎo)線而使用銅導(dǎo)線，那么即使存在溫度梯度的部分也不會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。由此導(dǎo)致溫度的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差。
3、熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線的連接
連接部位不存在溫度梯度時(shí)，使用普通接線板連接熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線不會(huì)有任何問題。
假使連接部位產(chǎn)生溫度差異，則無法進(jìn)行正確測(cè)量。此時(shí)，應(yīng)使用與所用熱電偶具有相同熱電動(dòng)勢(shì)的專用連接器。
4、熱電偶的最大延長(zhǎng)
熱電偶本身延長(zhǎng)至1km以上也可以使用。但是，測(cè)量器上一般都規(guī)定了可配線的最大輸入信號(hào)電阻值和“輸入信號(hào)電阻”。需要注意的是，如果熱電偶的總電阻值超出該值，則無法實(shí)現(xiàn)正確測(cè)量。
第四章 熱電偶校準(zhǔn)
按照國家頒布的熱電偶檢定和校驗(yàn)技術(shù)規(guī)范，熱電偶校驗(yàn)一般用定點(diǎn)法或比較法進(jìn)行校驗(yàn)，下面對(duì)比較法和定點(diǎn)法做相關(guān)介紹。
1、定點(diǎn)法和比較法
所謂熱電偶校驗(yàn)，是指決定所用熱電偶顯示的值與實(shí)際溫度之間關(guān)系的一項(xiàng)操作。校驗(yàn)通常每半年進(jìn)行1次。校驗(yàn)方法大致可分為定點(diǎn)法和比較法。
【定點(diǎn)法】
所謂定點(diǎn)法，是指使用溫度定點(diǎn)給出正確溫度值，然后進(jìn)行校驗(yàn)的方法。
如上圖所示測(cè)量定點(diǎn)溫度后進(jìn)行校驗(yàn)。
由于溫度定點(diǎn)為物質(zhì)的相平衡狀態(tài)，無論何時(shí)復(fù)現(xiàn)溫度均恒定不變。
【常用定點(diǎn)】
定點(diǎn) | 溫度 |
氮的沸點(diǎn) | -195.798℃ |
氧的沸點(diǎn) | -182.954℃ |
冰點(diǎn) | 0℃ |
水的沸點(diǎn) | 99.974℃ |
水的三相點(diǎn) | 0.01℃ |
錫的凝固點(diǎn) | 231.928℃ |
鋅的凝固點(diǎn) | 419.527℃ |
鋁的凝固點(diǎn) | 660.323℃ |
銀的凝固點(diǎn) | 961.78℃ |
金的凝固點(diǎn) | 1064.18℃ |
鉑的凝固點(diǎn) | 1768℃ |
所謂水的三相點(diǎn)，是指液體、氣體、固體這三種形態(tài)共存的溫度，通常可以在被稱為水三相點(diǎn)瓶的玻璃瓶中實(shí)現(xiàn)。±0.001℃可獲得最佳精度，常在定點(diǎn)法中使用。
【比較法】
所謂比較法，是指利用二等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶WRPB-2測(cè)量任意規(guī)定的恒溫槽溫度，同時(shí)獲得它與已測(cè)被校驗(yàn)熱電偶之間的誤差后進(jìn)行校驗(yàn)的一種方法。
相較于定點(diǎn)法，其精度下降，可使用任意溫度進(jìn)行校驗(yàn)是其特點(diǎn)所在。
2、熱電偶的使用壽命
熱電偶也具有使用壽命。雖然其使用溫度和環(huán)境千差萬別，但一般來說，如果在低于常用溫度以下的氧化環(huán)境中使用，貴金屬熱電偶使用壽命約為2000小時(shí)，廉金屬熱電偶的使用壽命約為10000小時(shí)。如果在極限溫度下使用，則它的使用壽命會(huì)大幅縮短，約為50到250小時(shí)。當(dāng)熱電偶接近使用壽命時(shí)，它將無法顯示正常溫度，最終會(huì)斷線。為了進(jìn)行正確測(cè)量，請(qǐng)定期對(duì)熱電偶進(jìn)行維護(hù)和更換。
第五章 熱電偶測(cè)量故障排查
使用熱電偶測(cè)量溫度時(shí)，有時(shí)會(huì)無法獲得正確的測(cè)量值。下面匯總了熱電偶測(cè)量時(shí)容易發(fā)生的故障實(shí)例。
上圖是進(jìn)行正常熱電偶測(cè)量的狀態(tài)
按照總體的熱電動(dòng)勢(shì)為1.00mV+3.00mV+10.00mV=14.00mV，測(cè)量值為100℃。（以熱電動(dòng)勢(shì)的各數(shù)值作為參考值）
1、熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線的極性反接
如果弄錯(cuò)熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線的極性，則無法正確測(cè)量。
總體的熱電動(dòng)勢(shì)變?yōu)?6.00mV，顯示儀表上顯示錯(cuò)誤溫度。
2、銅導(dǎo)線代替補(bǔ)償導(dǎo)線使用等
有溫度梯度時(shí)，如果使用銅導(dǎo)線等替代補(bǔ)償導(dǎo)線，則無法正確測(cè)量。
總體的熱電動(dòng)勢(shì)變?yōu)?1.00mV，測(cè)量器上顯示錯(cuò)誤溫度。
3、使用了不同種類的熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線
如果使用與測(cè)量器不同種類的熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線，則無法正確測(cè)量。
總體的熱電動(dòng)勢(shì)變?yōu)?.50mV，測(cè)量器上顯示錯(cuò)誤溫度。