1、熱電偶(thermocouple)測量原理

熱電偶是測量溫度的一種儀器。利用兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成閉合回路,焊接端稱作熱端（或工作端），與導(dǎo)線連接的一端稱作冷端。如果兩端所處的溫度不同（熱端為 t，冷端為 t0，t > t0）則在該回路內(nèi)產(chǎn)生熱電動勢E（簡稱熱電勢），此種現(xiàn)象稱為“熱電效應(yīng)”（塞貝克效應(yīng)）。熱電偶就是利用熱電效應(yīng)的原理而制成的測量溫度的儀器。熱電偶測量溫度系統(tǒng)由熱電偶（感溫元件），毫伏測量儀表及連接導(dǎo)線（銅線及補(bǔ)償導(dǎo)線）所組成。在熱電偶材料已定時。其熱電勢E只是被測量溫度t的函數(shù)，用儀表測得E的數(shù)值后，即可知道被測溫度的大小。

2、熱電偶特點(diǎn)

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。

測量范圍廣。常用的熱電偶從-50℃～+1600℃均可連續(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(dá)+2800℃(如鎢-錸)。

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(hù)套管，用起來非常方便。

3、熱電偶的分度號

標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)。熱電偶的分度號有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等幾種。其中S、R、B屬于貴金屬熱電偶， N、K、E、J、T屬于廉金屬熱電偶。

S分度號的特點(diǎn)是抗氧化性能強(qiáng)，宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用，長期使用溫度1400℃，短期1600℃。在所有熱電偶中，S分度號的精確度等級最高，通 常用作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶；

R分度號與S分度號相比除熱電動勢大15%左右，其它性能幾乎完全相同。

B分度號在室溫下熱電動勢極小，故在測量時一般不用補(bǔ)償導(dǎo)線。它的長期使用溫度為1600℃，短期1800℃?？稍谘趸曰蛑行詺夥罩惺褂?，也可在真空條件下短期使用。

N分度號的特點(diǎn)是1300℃下高溫抗氧化能力強(qiáng)，熱電動勢的長期穩(wěn)定性及短期熱循環(huán)的復(fù)現(xiàn)性好，耐核輻照及耐低溫性能也好，可以部分代替S分度號熱電偶；

K分度號的特點(diǎn)是抗氧化性能強(qiáng)，宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用，長期使用溫度1000℃，短期1200℃。在所有熱電偶中使用最廣泛；

E分度號的特點(diǎn)是在常用熱電偶中，其熱電動勢最大，即靈敏度最高。宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用，使用溫度0-800℃；

J分度號的特點(diǎn)是既可用于氧化性氣氛 (使用溫度上限750℃)，也可用于還原性氣氛 (使用溫度上限950℃)，并且耐H2及CO氣體腐蝕，多用于煉油及化工；

T分度號的特點(diǎn)是在所有廉金屬熱電偶中精確度等級最高，通常用來測量300℃以下的溫度。

4、熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償

理論上，熱電偶是冷端以0℃為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量的。然而，通常測量時儀表是處于室溫之下的，但由于冷端不為0℃，造成了熱電勢差減小，使測量不準(zhǔn)，出現(xiàn)誤差。因此為減少誤差所做的補(bǔ)償措施就是冷端溫度補(bǔ)償。

因此，常采用一些措施來消除冷端溫度變化所產(chǎn)生的影響，如冷端恒溫法、冷端溫度校正法、補(bǔ)償導(dǎo)線法、補(bǔ)償電橋法。

（1）冷端恒溫法

一般熱電偶定標(biāo)時冷端溫度以0℃為標(biāo)準(zhǔn)。因此，常常將冷端置于冰水混合物中，使其溫度保持為恒定的0℃。在實(shí)驗(yàn)室條件下，通常把冷端放在盛有絕緣油的試管中，然后再將其放入裝滿冰水混合物的保溫容器中，是冷端保持0℃。

（2）冷端溫度校正法

由于熱電偶的溫度分度表是在冷端溫度保持在0℃的情況下得到的，與它配套使用的測量電路或顯示儀表又是根據(jù)這一關(guān)系曲線進(jìn)行刻度的，因此冷端溫度不等于0℃時，就需對儀表指示值加以修正。如冷端溫度高于0℃，但恒定于t0℃,則測得的熱電勢要小于該熱電偶的分度值，為求得真實(shí)溫度，可利用中間溫度法則，即用下式進(jìn)行修正：

E（t,0）= E（t,t1）+ E（t1,0）

（3）補(bǔ)償導(dǎo)線法

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(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線（compensating lead）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。這是一種專用導(dǎo)線，有正、負(fù)極性。選擇某一對導(dǎo)線，當(dāng)其與某種熱電偶的熱電特性小于100℃的范圍里一致時，只要熱電偶冷端小于100℃，并將它與熱電偶冷端連結(jié)，則相當(dāng)于將熱電偶延長，這樣便于熱電偶的冷端溫度處理，如果所移的冷端仍處于溫度較高或有波動的地方，則此時的補(bǔ)償導(dǎo)線就失去使用意義。

補(bǔ)償導(dǎo)線在使用中注意事項(xiàng)

補(bǔ)償導(dǎo)線的選擇

補(bǔ)償導(dǎo)線一定要根據(jù)所使用的熱電偶種類和所使用的場合進(jìn)行正確選擇。例如,k型偶應(yīng)該選擇k型偶的補(bǔ)償導(dǎo)線,根據(jù)使用場合,選擇工作溫度范圍。通常kx工作溫度為-20～100℃,寬范圍的為-25～200℃。普通級誤差為±2.5℃,精密級為±1.5℃。

接點(diǎn)連接

與熱電偶接線端2個接點(diǎn)盡可能近一點(diǎn),盡量保持2個接點(diǎn)溫度一致。與儀表接線端連接處盡可能溫度一致,儀表柜有風(fēng)扇的地方,接點(diǎn)處要保護(hù)不要使得風(fēng)扇直吹到接點(diǎn)。

使用長度

因?yàn)闊犭娕嫉?a target="_blank">信號很低,為微伏級,如果使用的距離過長,信號的衰減和環(huán)境中強(qiáng)電的干擾偶合,足可以使熱電偶的信號失真,造成測量和控制溫度不準(zhǔn)確,在控制中嚴(yán)重時會產(chǎn)生溫度波動。

根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn),通常使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的長度控制在15米內(nèi)比較好,如果超過15米,建議使用溫度變送器進(jìn)行傳送信號。溫度變送器是將溫度對應(yīng)的電勢值轉(zhuǎn)換成直流電流傳送,抗干擾強(qiáng)。

布線

補(bǔ)償導(dǎo)線布線一定要遠(yuǎn)離動力線和干擾源。在避免不了穿越的地方,也盡可能采用交叉方式,不要平行。

屏蔽補(bǔ)償導(dǎo)線

為了提高熱電偶連接線的抗干擾性,可以采用屏蔽補(bǔ)償導(dǎo)線。對于現(xiàn)場干擾源較多的場合,效果較好。但是一定要將屏蔽層嚴(yán)格接地,否則屏蔽層不僅沒有起到屏蔽的作用,反而增強(qiáng)干擾。

（4）補(bǔ)償電橋法

補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值。補(bǔ)償電橋現(xiàn)已標(biāo)準(zhǔn)化。不平衡電橋（即補(bǔ)償電橋）是由電阻R1、R2、R3和RCu組成。其中R1=R2=R3=1 ；Rs是用溫度系數(shù)很小的錳銅絲繞制而成的；RCu是有溫度系數(shù)較大的銅線繞制而成的補(bǔ)償電阻，0℃時，RCu=1；Rs的值可根據(jù)所選電偶的類型計(jì)算確定。此橋串聯(lián)在熱電偶測量回路中，熱電偶冷端與電阻RCu感受相同的溫度，在某一溫度下（通常取0℃）調(diào)整電橋平衡，使R1=R2=R3=RCu。當(dāng)冷端溫度變化時，RCu隨溫度改變，破壞了電橋平衡，產(chǎn)生一不平衡電壓△U，此電壓則與熱電勢相疊加，一起送入測量儀表。適當(dāng)選擇Rs的數(shù)值，可是電橋產(chǎn)生的不平衡電壓△U在一定溫度范圍內(nèi)基本上能補(bǔ)償由于冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值。這樣，當(dāng)冷端溫度有一定變化時，儀表仍然可給出正確的溫度示值。

（5）軟件處理法

對于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，不必全靠硬件進(jìn)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(yīng)的常數(shù)即可。

對于T0經(jīng)常波動的情況，可利用熱敏電阻或其它傳感器把T0信號輸入計(jì)算機(jī)，按照運(yùn)算公式設(shè)計(jì)一些程序，便能自動修正。后一種情況必須考慮輸入的采樣通道中除了熱電動勢之外還應(yīng)該有冷端溫度信號，如果多個熱電偶的冷端溫度不相同，還要分別采樣，若占用的通道數(shù)太多，宜利用補(bǔ)償導(dǎo)線把所有的冷端接到同一溫度處，只用一個冷端溫度傳感器和一個修正T0的輸入通道就可以了。冷端集中，對于提高多點(diǎn)巡檢的速度也很有利。

5、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(shí)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(hù)管直徑的8～10倍；熱電偶的保護(hù)套管與壁間的間隔未填絕熱物質(zhì)致使?fàn)t內(nèi)熱溢出或冷空氣侵入，因此熱電偶保護(hù)管和爐壁孔之間的空隙應(yīng)用耐火泥或石棉繩等絕熱物質(zhì)堵塞以免冷熱空氣對流而影響測溫的準(zhǔn)確性；熱電偶冷端太靠近爐體使溫度超過100℃；熱電偶的安裝應(yīng)盡可能避開強(qiáng)磁場和強(qiáng)電場，所以不應(yīng)把熱電偶和動力電纜線裝在同一根導(dǎo)管內(nèi)以免引入干擾造成誤差；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(hù)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(dá)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，進(jìn)行快速測量時這種影響尤為突出。所以應(yīng)盡可能采用熱電極較細(xì)、保護(hù)管直徑較小的熱電偶。測溫環(huán)境許可時，甚至可將保護(hù)管取去。由于存在測量滯后，用熱電偶檢測出的溫度波動的振幅較爐溫波動的振幅小。測量滯后越大，熱電偶波動的振幅就越小，與實(shí)際爐溫的差別也就越大。當(dāng)用時間常數(shù)大的熱電偶測溫或控溫時，儀表顯示的溫度雖然波動很小，但實(shí)際爐溫的波動可能很大。為了準(zhǔn)確的測量溫度，應(yīng)當(dāng)選擇時間常數(shù)小的熱電偶。時間常數(shù)與傳熱系數(shù)成反比，與熱電偶熱端的直徑、材料的密度及比熱成正比，如要減小時間常數(shù)，除增加傳熱系數(shù)以外，最有效的辦法是盡量減小熱端的尺寸。使用中，通常采用導(dǎo)熱性能好的材料，管壁薄、內(nèi)徑小的保護(hù)套管。在較精密的溫度測量中，使用無保護(hù)套管的裸絲熱電偶，但熱電偶容易損壞，應(yīng)及時校正及更換。

（4）熱阻誤差

高溫時，如保護(hù)管上有一層煤灰，塵埃附在上面，則熱阻增加，阻礙熱的傳導(dǎo)，這時溫度示值比被測溫度的真值低。因此，應(yīng)保持熱電偶保護(hù)管外部的清潔，以減小誤差。

6、故障處理

熱電偶輸入產(chǎn)生故障判別法：

按照儀表接線圖進(jìn)行正確接線通電后，儀表先是顯示儀表的熱電偶分度號，接著顯示儀表量程范圍，再測儀表下排的數(shù)碼管顯示設(shè)定溫度，儀表上排數(shù)碼管顯示測量溫度。若儀表上排數(shù)碼管顯示不是發(fā)熱體的溫度，而顯示“OVER”、“0000”或“000”等狀況，說明儀表輸入部位產(chǎn)生故障，應(yīng)作如下試驗(yàn)：

① 把熱電偶從儀表熱電偶輸入端拆下，再用任何一根導(dǎo)線把儀表熱電偶輸入端短路。通電時，儀表上排數(shù)碼管顯示值約為室溫時，說明熱電偶內(nèi)部連線開路，應(yīng)更換同類型熱電偶。若還是以上所說的狀況，說明儀表在運(yùn)輸過程中，儀表的輸入端被損壞，要調(diào)換儀表。

② 把上述故障儀表的熱電偶拆去，換用旁邊運(yùn)行正常的同種分度號儀表上接入的熱電偶，通電后，原故障儀表上排數(shù)碼管顯示發(fā)熱體溫度時，說明熱電偶連線開路，更換同類型熱電偶。

③ 把有故障的熱電偶從儀表上拆下來，用萬用表放在測量歐姆（R）*1檔，用萬用表兩表棒去測熱電偶兩端，若萬用表上顯示的電阻值很大，說明熱電偶內(nèi)部連接開路，更換同類型熱電偶。否則有一定阻值，說明儀表輸入端有問題，應(yīng)更換儀表。

④ 按照儀表接線圖接線正確，若儀表通電后，儀表上排數(shù)碼管顯示有負(fù)值等現(xiàn)象，說明接入儀表的熱電偶“+”與“—”接錯而造成的。只要重新調(diào)換一下即可。

⑤ 接線正確儀表在運(yùn)行時，儀表上排數(shù)碼管顯示的溫度與實(shí)際測量的溫度相差40℃~70℃。甚至相差更大，說明儀表的分度號與熱電偶的分度號搞錯。按熱電偶分度號B、S、K、E等熱電偶的溫度與毫伏（MV）值的對應(yīng)關(guān)系來看，同樣溫度的情況下，產(chǎn)生的毫伏值（MV）B分度號最小，S分度號次小，K分度號較大，E分度號最大，按照此原理來判別。

常見故障分析及處理：