關(guān)鍵詞：溫度測(cè)量，熱電偶，熱電效應(yīng)，熱電動(dòng)勢(shì)，熱電偶類(lèi)型，補(bǔ)償電纜，補(bǔ)償箱

溫度測(cè)量在工業(yè)中是非常重要的。在化工和環(huán)保領(lǐng)域大多采用溫度傳感器來(lái)控制。由于價(jià)格低而經(jīng)常優(yōu)先選擇熱電偶。

本文提出的問(wèn)題是：它是怎樣工作的？為什么模擬電壓表顯示為零？補(bǔ)償電纜和冷端補(bǔ)償箱具有哪個(gè)功能？熱電偶可以直接連接一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字萬(wàn)用表嗎？能避免哪些錯(cuò)誤？以下來(lái)回答這些問(wèn)題。

歷史回顧

世界上勒?夏特利埃第一個(gè)在1887年使用熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量。它采用鉑—鉑銠(Pt—PtRh)合金制成，非常適于精確測(cè)量溫度0到1300℃。

熱電效應(yīng)：物理解釋

在每個(gè)金屬中，當(dāng)電子對(duì)于原子核結(jié)合力低時(shí)，電子在金屬內(nèi)可以自由運(yùn)動(dòng)。作為好的導(dǎo)體的金屬平均提供一個(gè)電子來(lái)運(yùn)送電荷。這就意味著運(yùn)送電荷的電子數(shù)目與原子的平均數(shù)相同。對(duì)每種金屬單位大小的原子密度不同，因此自由電子的濃度必然不同。在金屬中對(duì)于熱平衡，也就是說(shuō)每個(gè)地方的溫度是一樣的，負(fù)電荷，電子均勻分布。如果溫度不同，T1>T2,這時(shí)電子從熱的地方向冷的地方擴(kuò)散。這一行為與氣體相似，因此可以用電子氣體來(lái)表達(dá)。氣體熱脹冷縮。(圖1)像氣體一樣，電子均勻填充得到的空間。

如果兩種載荷濃度不同的金屬相連時(shí)，例如銀(高濃度)和銅(低濃度)，電子將從高濃度向低濃度擴(kuò)散，直到均勻分布為止。(圖2)。結(jié)果將產(chǎn)生擴(kuò)散電壓或接觸電壓，因?yàn)橄鄬?duì)于其它金屬，低電子數(shù)的金屬將充電。

電子擴(kuò)散可以用動(dòng)能來(lái)解釋。對(duì)于熱平衡，兩種電子氣體之間沒(méi)有壓差，也不會(huì)產(chǎn)生由接觸電壓場(chǎng)引起的電動(dòng)力。

原理上可以測(cè)量接觸電壓。然而，一連接電壓表，在不同金屬的接點(diǎn)上，就會(huì)產(chǎn)生額外的接觸電壓。這些可以用熱電偶來(lái)補(bǔ)償接觸電壓。稍后可以用電路版本1來(lái)證明。

這一規(guī)則包含：只要所有部件的溫度相同，由熱產(chǎn)生的閉合電路電壓的代數(shù)和為零。溫度不同，才會(huì)引起由熱產(chǎn)生的電壓。

熱電偶溫度范圍：

熱電偶允許測(cè)量實(shí)際相關(guān)的溫度，范圍從-270℃(金鐵-鎳鉻)到+2800℃(鎢錸3-鎢錸25)由非金屬材料制成的熱電偶允許測(cè)量更高的溫度。

德國(guó)惠美公司的HM8112-3臺(tái)式萬(wàn)用表利用熱電偶，鉑傳感器和熱敏電阻器可以測(cè)量溫度，如下圖：

HM8112-3數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量DC,AC,頻率和
溫度(使用熱電偶，鉑傳感器和熱敏電阻器)
熱電動(dòng)勢(shì)電壓刻度：

熱電動(dòng)勢(shì)電壓刻度可以決定不同金屬組合產(chǎn)生的接觸電壓。為了識(shí)別未知金屬，通常熱電偶前端采用鉑金屬，后端為被測(cè)金屬。結(jié)合點(diǎn)溫度100℃，冷端溫度0℃，測(cè)量的熱電動(dòng)勢(shì)電壓決定被測(cè)金屬類(lèi)型。熱電動(dòng)勢(shì)刻度給出的Kxp值就是那些組合金屬的類(lèi)型，它是用鉑金以mV/100K來(lái)表示溫度范圍。實(shí)際上由于價(jià)格的原因很少采用鉑金，組合金屬A和B的電壓Kab有以下關(guān)系：

Kab=Kap-Kbp
表1.在結(jié)合處0°C和100°C之間，熱電動(dòng)勢(shì)刻度給出的溫度差別
例子：

鐵-康銅：Kkonst-Kfe=-3.47-1.87=5.34mV/100K.(根據(jù)DIN標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)為5.5mV/100K)

熱電壓Vt=Kt(Tm-Tc)

這里Kt:金屬熱電動(dòng)勢(shì)常數(shù)
Tm:測(cè)量點(diǎn)溫度
Tc:參考接合點(diǎn)溫度

例子：

銅-康銅熱電偶靈敏度0.05mV/K,熱電壓16mV,如果參考接合點(diǎn)溫度為0℃，那么測(cè)量點(diǎn)的溫度Tm為：

Tm-Tc=Vt/Kt
Tm-Tc=16mV/0.05mV/K=320K
Tc=0℃
Tm=320℃

熱電偶類(lèi)型和區(qū)分方法

用識(shí)別符號(hào)來(lái)區(qū)分熱電偶，例如“類(lèi)型J”, “類(lèi)型K”.表2列出根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DIN IEC 584的熱電偶類(lèi)型：
表2.熱電偶類(lèi)型

另外有舊標(biāo)準(zhǔn)DIN437/10/13/14,英國(guó)BS4937和法國(guó)NF C42-324標(biāo)準(zhǔn)。每種標(biāo)準(zhǔn)有不同的顏色；根據(jù)舊DIN43710標(biāo)準(zhǔn)K型熱電偶為紅/綠。英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為棕/蘭，法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為黃/紫。利用顏色來(lái)識(shí)別熱電偶，特別在替代有缺陷的熱電偶時(shí)非常有用。當(dāng)然只利用顏色來(lái)識(shí)別是不夠的，實(shí)際上還要測(cè)量其磁性，如鐵，鎳(無(wú)鉻)和鎳硅石磁性的。這可以排除幾種可能。

實(shí)際上如以上提及的很難準(zhǔn)確選擇熱電偶的類(lèi)型。當(dāng)選擇一個(gè)熱電偶時(shí)，需要考慮很多參數(shù)(測(cè)量點(diǎn)溫度，環(huán)境溫度，濕度，電磁場(chǎng)等)。Condustrie 公司-MET AG(CH8260 Wetzikon,瑞士)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)和制造溫度傳感器。

補(bǔ)償電纜

補(bǔ)償電纜比熱電偶(特別是鉑和錸)便宜，它們具有靈活性和低阻性。當(dāng)需要長(zhǎng)距離測(cè)量時(shí)優(yōu)先考慮補(bǔ)償電纜。

圖3 K型熱電偶，連接器，補(bǔ)償電纜
兩種插頭比較普遍(見(jiàn)圖3)，綠色插頭(陰)是R和S型熱電偶標(biāo)準(zhǔn)插頭，大多用在固定安裝。手持式儀表用黃色插頭(陰)，是K型熱電偶。金屬棒是一種熱電偶，采用不銹鋼金屬密封。熱電偶線采用氧化鎂。彎曲和施壓不會(huì)產(chǎn)生短路。這些金屬棒主要用在工業(yè)，當(dāng)測(cè)量點(diǎn)很難觸及，可利用其彎曲特性，或遇到振動(dòng)時(shí)可使用金屬棒。金屬棒必須連接特殊的壓接端或者用補(bǔ)償電纜連接。

標(biāo)準(zhǔn)電路，參考點(diǎn)和補(bǔ)償箱

圖4.熱電偶溫度測(cè)量電路
有兩種標(biāo)準(zhǔn)電路。圖4中參考點(diǎn)是點(diǎn)2和點(diǎn)3.對(duì)于絕對(duì)測(cè)量這是非常重要的。它必須保持在恒定已知溫度(例如冰瓶).對(duì)于長(zhǎng)期測(cè)量，冰瓶是不夠的。它必須由叫做補(bǔ)償箱的來(lái)代替。補(bǔ)償箱保持參考接合點(diǎn)和參考點(diǎn)環(huán)境溫度影響的補(bǔ)償系數(shù)NTC.參考點(diǎn)大多是一個(gè)等溫塊，既是電絕緣體，又是好的熱導(dǎo)體。

德國(guó)惠美公司的HM8112-3數(shù)字萬(wàn)用表用熱電偶，鉑傳感器和熱敏電阻器來(lái)測(cè)量溫度。

第二種連接方法如圖5.

圖5.熱電偶(參考接合點(diǎn))
這種電路經(jīng)常出現(xiàn)在文獻(xiàn)中。這里參考點(diǎn)不是銅線，而是點(diǎn)2.對(duì)于絕對(duì)測(cè)量點(diǎn)2必須保持恒定已知溫度或者必須校正。銅線點(diǎn)必須維持相同的溫度以消除熱電壓。

熱電偶優(yōu)點(diǎn)：

● 經(jīng)濟(jì)實(shí)惠
● 長(zhǎng)期穩(wěn)定
● 小和低熱電容
● 快速
● 有源傳感器
● 大溫度范圍(0到2800℃)