[摘要] 本文介紹了熱電偶作為一種工業(yè)常用的測溫元件的測溫原理,及在使用中的補(bǔ)償方法和分類.對(duì)熱電偶的熱學(xué)定律、結(jié)構(gòu)形式也作了相應(yīng)的說明和分析。
[關(guān)鍵詞] 熱電偶 溫差電勢(shì)、 接觸電勢(shì)、補(bǔ)償
一、熱電偶傳感器
1. 熱電偶測溫原理
兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度T和T0不同時(shí)，則在該回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng),該電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。這兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱為熱電偶，導(dǎo)體A、B稱為熱電極。兩個(gè)接點(diǎn)，一個(gè)稱熱端，又稱測量端或工作端，測溫時(shí)將它置于被測介質(zhì)中;另一個(gè)稱冷端，又稱參考端或自由端，它通過導(dǎo)線與顯示儀表相連。
接觸電勢(shì)是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動(dòng)勢(shì)。兩種導(dǎo)體接觸時(shí)，自由電子由密度大的導(dǎo)體向密度小的導(dǎo)體擴(kuò)散， 在接觸處失去電子一側(cè)帶正電，得到電子一側(cè)帶負(fù)電，擴(kuò)散達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)，在接觸面的兩側(cè)就形成穩(wěn)定的接觸電勢(shì)。接觸電勢(shì)的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度。兩接點(diǎn)的接觸電勢(shì)eAB（T）和eAB（T0）可表示為
式中： K——波爾茲曼常數(shù)； e——單位電荷電量； NAT、NBT和NAT0、NBT0——溫度分別為T和T0時(shí)，A、B兩種材料的電子密度。
溫差電勢(shì)是同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動(dòng)勢(shì)。同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時(shí)，高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，因而從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多，結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電nc.moc.enilnosmm.www，低溫端因獲得多余的電子而帶負(fù)電，因此，在導(dǎo)體兩端便形成接觸電勢(shì)，其大小由下面公式給出：
式中, NAt和NBt分別為A導(dǎo)體和B導(dǎo)體的電子密度，是溫度的函數(shù)。
熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢(shì)為
eAB（T, T0）=eAB（T）+eB（T,T0）-eAB（T0）-eA（T,T0）
在總熱電勢(shì)中，溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小很多，可忽略不計(jì)， 則熱電偶的熱電勢(shì)可表示為 ：eAB（T,T0）=eAB（T）-eAB（T0）
對(duì)于已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度T0恒定時(shí)，eAB（T0）=c為常數(shù)，則總的熱電動(dòng)勢(shì)就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即 eAB（T,T0）=eAB（T）-c=f（T）
這一關(guān)系式在實(shí)際測量中是很有用的，即只要測出eAB（T， T0）的大小，就能得到被測溫度T，這就是利用熱電偶測溫的原理。
二、熱電偶基本定律
1、均質(zhì)導(dǎo)體定律: 由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其熱電動(dòng)勢(shì)的大小只與兩材料及兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分布無關(guān)。即如材料不均勻，當(dāng)導(dǎo)體上存在溫度梯度時(shí)，將會(huì)有附加電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。這條定理說明，熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。
2、中間導(dǎo)體定律：利用熱電偶進(jìn)行測溫，必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表，接入導(dǎo)線和儀表后會(huì)不會(huì)影響回路中的熱電勢(shì)呢？中間導(dǎo)體定律說明，在熱電偶測溫回路內(nèi)，接入第三種導(dǎo)體時(shí)，只要第三種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則對(duì)回路的總熱電勢(shì)沒有影響。
3、中間溫度定律：在熱電偶測溫回路中，tc為熱電極上某一點(diǎn)的溫度，熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為t、t0時(shí)的熱電勢(shì)eAB（t, t0）等于熱電偶AB在接點(diǎn)溫度t、tc和tc、t0時(shí)的熱電勢(shì)eAB（t, tc）和eAB（tc, t0）的代數(shù)和，即 eAB（t,t0）=eAB（t,tc）+eAB（tc,t0
該定律是參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)，在實(shí)際熱電偶測溫回路中, 利用熱電偶這一性質(zhì), 可對(duì)參考端溫度不為0℃的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。
三、熱電偶的結(jié)構(gòu)形式
為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對(duì)象的測溫要求和條件，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有普通型熱電偶、鎧裝型熱電偶和薄膜熱電偶等。
1、普通型熱電偶：普通型結(jié)構(gòu)熱電偶工業(yè)上使用zui多，它一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成。普通型熱電偶按其安裝時(shí)的連接形式可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活動(dòng)法蘭連接、無固定裝置等多種形式。
2、鎧裝型熱電偶：鎧裝熱電偶又稱套管熱電偶。它是由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅(jiān)實(shí)組合體，鎧裝熱電偶的主要優(yōu)點(diǎn)是測溫端熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快IIAnews.com版權(quán)所有，機(jī)械強(qiáng)度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上，因此被廣泛用在許多工業(yè)部門中。
3、薄膜熱電偶：薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料用真空蒸鍍、化學(xué)涂層等辦法蒸鍍到絕緣基板上而制成的一種特殊熱電偶，薄膜熱電偶的熱接點(diǎn)可以做得很小（可薄到0.01～0.1μm），具有熱容量小、反應(yīng)速度快等特點(diǎn)，熱響應(yīng)時(shí)間達(dá)到微秒級(jí)，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動(dòng)態(tài)溫度測量。
四、熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線及冷端溫度的補(bǔ)償方法
當(dāng)熱電偶材料選定以后，熱電動(dòng)勢(shì)只與熱端和冷端溫度有關(guān)。因此只有當(dāng)冷端溫度恒定時(shí)，熱電偶的熱電勢(shì)和熱端溫度才有單值的函數(shù)關(guān)系。熱電偶的分度表是以冷端溫度0℃作為基準(zhǔn)進(jìn)行分度的，而在實(shí)際使用過程中，冷端溫度往往不為0℃，所以必須對(duì)冷端溫度進(jìn)行處理，消除冷端溫度的影響。
那么熱端溫度為t時(shí)，分度表所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)eAB（t, 0）與熱電偶實(shí)際產(chǎn)生的熱電勢(shì)eAB（t,t0）之間的關(guān)系可根據(jù)中間溫度定律得到下式：eAB（t,0）= eAB（t,t0）+eAB（t0，0）
由此可見，eAB（t0，0）是冷端溫度t0的函數(shù)，因此需要對(duì)熱電偶冷端溫度進(jìn)行處理。
1、熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線 ： 在實(shí)際測溫時(shí)，需要把熱電偶輸出的電勢(shì)信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場數(shù)十米遠(yuǎn)的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣, 冷端溫度t0比較穩(wěn)定。熱電偶一般做得較短，一般為350～2000mm，需要用導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸出來。工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線，它通常由兩種不同性質(zhì)的廉價(jià)金屬導(dǎo)線制成，而且在0～100℃溫度范圍內(nèi)，要求補(bǔ)償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。
2、冷端溫度修正法： 采用補(bǔ)償導(dǎo)線可使熱電偶的冷端延伸到溫度比較穩(wěn)定的地方，但只要冷端溫度t0不等于0℃，需要對(duì)熱電偶回路的測量電勢(shì)值eAB（t，t0）加以修正。當(dāng)工作端溫度為t時(shí)，分度表所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)eAB（t,0）與熱電偶實(shí)際產(chǎn)生的熱電勢(shì)eAB（t,t0）之間的關(guān)系可根據(jù)中間溫度定律得到下式：eAB（t,0）= eAB（t,t0）+eAB（t0，0）
由此可見，測量電勢(shì)值eAB（t, t0）的修正值為eAB（t0, 0）。eAB（t0，0）是參考端溫度t0的函數(shù)，經(jīng)修正后的熱電勢(shì)為eAB（t，0）MMSonline.com.cn版權(quán)所有， 可由分度表中查出被測實(shí)際溫度值t。
例如，用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=30℃，測得熱電勢(shì)eAB（t，t0）為33.29mV, 求加熱爐溫度。
解：查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得eAB（30，0）1.203 mV。由式（15-13）可得 eAB（t，0）= eAB（t,t0）+eAB（t0,0）=33.29+1.203=34.493mV，由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得t=829.5℃。
3、冷端0℃恒溫法 ： 在實(shí)驗(yàn)室及精密測量中，通常把冷端放入0℃恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0℃，這種方法又稱冰浴法。這是一種理想的補(bǔ)償方法，但工業(yè)中使用極為不便。
4、冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法（補(bǔ)償電橋法）： 補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓Uab作為補(bǔ)償信號(hào)，來自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶測量過程中因冷端溫度不為0℃或變化而引起熱電勢(shì)的變化值。補(bǔ)償電橋由三個(gè)電阻溫度系數(shù)較小的錳銅絲繞制的電阻r1、r2、r3及電阻溫度系數(shù)較大的銅絲繞制的電阻rcu和穩(wěn)壓電源組成。補(bǔ)償電橋與熱電偶冷端處在同一環(huán)境溫度，當(dāng)冷端溫度變化引起的熱電勢(shì)eAB（t,t0）變化時(shí)，由于rcu的阻值隨冷端溫度變化而變化，適當(dāng)選擇橋臂電阻和橋路電流，就可以使電橋產(chǎn)生的不平衡電壓Uab補(bǔ)償由于冷端溫度t0變化引起的熱電勢(shì)變化量，從而達(dá)到自動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪康摹?/span>
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