在電路中熱電偶是種很常見從元器件，在日常生活中廣泛用于汽車、家庭等領(lǐng)域。那么關(guān)于它你了解多少呢？你知道熱電偶的測溫原理嗎？本文講為你揭曉一個(gè)真實(shí)的熱電偶。
熱電偶
熱電偶（thermocouple）是溫度測量儀表中常用的測溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢信號(hào)，通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。各種熱電偶的外形常因需要而極不相同，但是它們的基本結(jié)構(gòu)卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套保護(hù)管和接線盒等主要部分組成，通常和顯示儀表、記錄儀表及電子調(diào)節(jié)器配套使用。
在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是需要測量和控制的重要參數(shù)之一。在溫度測量中，熱電偶的應(yīng)用極為廣泛，它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、測量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳等許多優(yōu)點(diǎn)。另外，由于熱電偶是一種有源傳感器，測量時(shí)不需外加電源，使用十分方便，所以常被用作測量爐子、管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。
熱電偶工作原理
當(dāng)有兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組成一個(gè)回路，其兩端相互連接時(shí)，只要兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，一端溫度為T，稱為工作端或熱端，另一端溫度為T0 ，稱為自由端（也稱參考端）或冷端，回路中將產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢，該電動(dòng)勢的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。這種現(xiàn)象稱為“熱電效應(yīng)”，兩種導(dǎo)體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導(dǎo)體稱為“熱電極”，產(chǎn)生的電動(dòng)勢則稱為“熱電動(dòng)勢” ［1］ 。
熱電動(dòng)勢由兩部分電動(dòng)勢組成，一部分是兩種導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢，另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢。
熱電偶回路中熱電動(dòng)勢的大小，只與組成熱電偶的導(dǎo)體材料和兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀尺寸無關(guān)。當(dāng)熱電偶兩電極材料固定后，熱電動(dòng)勢便是兩接點(diǎn)溫度t和t0。的函數(shù)差 ［1］ 。即
這一關(guān)系式在實(shí)際測溫中得到了廣泛應(yīng)用。因?yàn)槔涠藅0恒定，熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢只隨熱端（測量端）溫度的變化而變化，即一定的熱電動(dòng)勢對(duì)應(yīng)著一定的溫度。我們只要用測量熱電動(dòng)勢的方法就可達(dá)到測溫的目的 ?。
熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，
當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過，此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢——熱電動(dòng)勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect）。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個(gè)恒定的溫度下。根據(jù)熱電動(dòng)勢與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶分度表；分度表是自由端溫度在0℃時(shí)的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。
在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時(shí)，只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測溫時(shí)，可接入測量儀表，測得熱電動(dòng)勢后，即可知道被測介質(zhì)的溫度。熱電偶測量溫度時(shí)要求其冷端（測量端為熱端，通過引線與測量電路連接的端稱為冷端）的溫度保持不變，其熱電勢大小才與測量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測量時(shí)，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將嚴(yán)重影響測量的準(zhǔn)確性。在冷端采取一定措施補(bǔ)償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補(bǔ)償正常。與測量儀表連接用專用補(bǔ)償導(dǎo)線。
熱電偶冷端補(bǔ)償計(jì)算方法：
從毫伏到溫度：測量冷端溫度，換算為對(duì)應(yīng)毫伏值，與熱電偶的毫伏值相加，換算出溫度；
從溫度到毫伏：測量出實(shí)際溫度與冷端溫度，分別換算為毫伏值，相減後得出毫伏值，即得溫度。
熱電偶的測溫原理分析
1、2兩點(diǎn)的溫度不同時(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢，因而就有電流產(chǎn)生，電流表就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這一現(xiàn)象稱為熱??電效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)），產(chǎn)?生的電勢、電流分別叫熱電勢、熱電流。
熱電偶溫度計(jì)屬于接觸式溫度測量儀表。是根據(jù)熱電效應(yīng)即塞貝克效應(yīng)原理來測量溫度的，是溫度測量儀表中常用的測溫元件。將不同材料的導(dǎo)體A、B接成閉合回路,接觸測溫點(diǎn)的一端稱測量端,一端稱參比端。若測量端和參比端所處溫度t和t0?不同,則在回路的A、B之間就產(chǎn)生一熱電勢EAB(t，t0 ),這種現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)，即熱電效應(yīng)。EAB大小隨導(dǎo)體A、B的材料和兩端溫度t和t0?而變,這種回路稱為原型熱電偶。在實(shí)際應(yīng)用中，將A、B的一端焊接在一起作為熱電偶的測量端放到被測溫度t處，而將參比端分開，用導(dǎo)線接入顯示儀表，并保持參比端接點(diǎn)溫度t0穩(wěn)定。顯示儀表所測電勢只隨被測溫度而t變化。
熱電偶測溫條件
是一種感溫元件，是一種一次儀表，熱電偶直接丈量溫度。由2種不同成分材質(zhì)的導(dǎo)體組成的閉合回路，由于材質(zhì)不同，不同的電子密度產(chǎn)生電子擴(kuò)散，穩(wěn)定均衡后就產(chǎn)生 了電勢。當(dāng)兩端存在梯度溫度時(shí)，回路中就會(huì)有電流產(chǎn)生，產(chǎn)生熱電動(dòng)勢，溫度差越大，電流就會(huì)越大。測得熱電動(dòng)勢之后即可曉得溫度值。熱電偶實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，可將熱能轉(zhuǎn)換成電能。
熱電偶的技術(shù)優(yōu)勢：熱電偶測溫范圍寬，性能比擬穩(wěn)定；丈量精度高，熱電偶與被測對(duì)象直接接觸，不受中間介質(zhì)的影響；熱響應(yīng)時(shí)間快，熱電偶對(duì)溫度變化反響靈活；丈量范圍 大，熱電偶從-40~+ 1600℃ 均可連續(xù)測溫；熱電偶性能牢靠， 機(jī)械強(qiáng)度好。運(yùn)用壽命長，裝置便當(dāng)。
電偶必需是由兩種性質(zhì)不同但契合一定要求的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）材料構(gòu)成回路。熱電偶丈量端和參考端之間必需有溫差。
將兩種不同資料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢,因此在回路中構(gòu)成一個(gè)大小的電流,這 種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是應(yīng)用這一效應(yīng)來工作的。
熱電偶測量方法
的熱響應(yīng)時(shí)間比較復(fù)雜，不同的試驗(yàn)條件會(huì)有不同的測量結(jié)果，這是因?yàn)樗軣犭娕寂c周圍介質(zhì)的換熱率影響，換熱率高，則熱響應(yīng)時(shí)間就短。為了使熱電偶產(chǎn)品的熱響應(yīng) 時(shí)間具有可比性，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：熱響應(yīng)時(shí)間應(yīng)在專用水流試驗(yàn)裝置上進(jìn)行。該裝置的水流速度應(yīng)保持0.4±0.05m/s，初始溫度在5-45℃的范圍內(nèi)，溫度階躍值為40-50℃。在試驗(yàn) 過程中，水的溫度變化應(yīng)不大于溫度階躍值的±1%。被試熱電偶的置入深度為150mm或設(shè)計(jì)的置入深度（選其中較小值并在試驗(yàn)報(bào)告中注明）。
由于該裝置比較復(fù)雜，目前只有極少數(shù)單位有這套設(shè)備，故國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定允許生產(chǎn)廠與用戶協(xié)商，可采用其他試驗(yàn)方法，但所給數(shù)據(jù)必須注明試驗(yàn)條件。
由于B型熱電偶在室溫附近熱電勢很小，熱響應(yīng)時(shí)間不容易測出，因此國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可采用同規(guī)格的S型熱電偶的熱電極組件替換其自身的熱電極組件，然后進(jìn)行試驗(yàn)。
試驗(yàn)時(shí)應(yīng)記錄 熱電偶 的輸出變化至相當(dāng)于溫度階躍變化50%的時(shí)間T0.5，必要時(shí)可記錄變化10%的熱響應(yīng)時(shí)間T0.1和變化90%的熱響應(yīng)時(shí)間T0.9。所記錄的熱響應(yīng)時(shí)間，應(yīng)是同一 試驗(yàn)至少三次測試結(jié)果的平均值，每次測量結(jié)果對(duì)于平均值的偏離應(yīng)在±10%以內(nèi)。此外，形成溫度階躍變化所需的時(shí)間不應(yīng)超過被測試 熱電偶 的T0.5的十分之一。記錄儀器或儀 表的響應(yīng)時(shí)間不應(yīng)超過被試熱電偶的T0.5的十分之一。
熱電偶的使用方法
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(shí)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(duì)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(dòng)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(dòng)的區(qū)域內(nèi)，當(dāng)用熱電偶測量管內(nèi)氣體溫度時(shí)，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(huì)引起熱電勢的損耗而且還會(huì)引入干擾，由此引起的誤差有時(shí)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，
在進(jìn)行快速測量時(shí)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(shí)，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(dòng)的振幅較爐溫波動(dòng)的振幅小。測量滯后越大，熱電偶波動(dòng)的振幅就越小，與實(shí)際爐溫的差別也就越大。當(dāng)用時(shí)間常數(shù)大的熱電偶測溫或控溫時(shí)，儀表顯示的溫度雖然波動(dòng)很小，但實(shí)際爐溫的波動(dòng)可能很大。為了準(zhǔn)確的測量溫度，應(yīng)當(dāng)選擇時(shí)間常數(shù)小的熱電偶。時(shí)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(shí)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(shí)校正及更換。
4、熱阻誤差
高溫時(shí)，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(shí)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。
結(jié)語
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