熱電偶溫度測試原理及應(yīng)用分析

摘要：文章論述了溫度測量原理，熱電偶測溫時的冷端處理方法，并分析了熱電偶測量溫度時的誤差來源，并提出了合理的減小誤差的方法，為溫度測量提供有效參考。
0引言
溫度是表征物體冷熱程度的物理量。從微觀上來說，分子運(yùn)動越劇烈，溫度越高，溫度表示的是分子的平均動能；從宏觀上來說，溫度是建立在熱平衡的基礎(chǔ)上。當(dāng)兩個冷熱不同的物體相互接觸時，其熱量會從較熱的物體傳送到較冷的物體上，以達(dá)到熱量平衡，即溫度相等。所以，溫度只能通過物體隨溫度變化的某些其他物理特征來間接表述，不能直接測量。測溫的方式可以分為接觸式測量和非接觸式測量。非接觸式測量指的是測量過程中，傳感器不與被測物體直接接觸，而是利用物體的輻射能量隨溫度的變化情況來檢測。接觸式測量指的是傳感器與被測量物體直接接觸，感受到物體的溫度變化。
　　熱電偶是一種接觸式測量方法，熱電偶測量溫度的范圍比較寬，能夠滿足大部分場合的溫度范圍需求。且接觸式測量的精度比較高，性能穩(wěn)定，成本較低。熱電偶輸出的信號可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，因此在測點(diǎn)需求比較多的情況下，可以實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測和采集。熱電偶的動態(tài)特性良好，能夠滿足快速變化的溫度測量需求。
熱電偶在工業(yè)測量溫度的領(lǐng)域中使用比較廣泛，其與鉑熱電阻的使用量占到整個溫度傳感器總量的60%左右，熱電偶一般都是與顯示儀表等共同來使用的，經(jīng)常使用的熱電偶一般可以分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類，其中標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，即按國家的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與其溫度的關(guān)系、允許誤差、并有標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，并且有與其可配套的顯示儀表供選用；非標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶在使用范圍和數(shù)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶，通常也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊情形下的測量。熱電偶是一種發(fā)展比較完善的熱電傳感器，它不僅是一種感溫元件，還是一種儀表。熱電偶把直接測得的溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電勢信號，再通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)化成被測介質(zhì)的溫度。
1熱電偶測溫原理
1.1熱電效應(yīng)
　　受熱物體中的電子，會隨溫度梯度從高溫區(qū)向低溫區(qū)移動，進(jìn)而產(chǎn)生電流或電荷堆積，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶基于的原理就是熱電效應(yīng)。如圖1所示，兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體分別為A和B，組成一個閉合回路。當(dāng)A與B相接的兩個接點(diǎn)溫度T和T0不同時，就會在回路中產(chǎn)生一個電勢EAB，此閉合回路就是熱電偶。熱電偶的兩個連接點(diǎn)中，其中一點(diǎn)置于溫度場中用來測量溫度，此為熱端，另一端為參考端，稱為冷端。冷端與測量儀表相連。如果熱端和冷端存在溫差，測量儀表就可以測量出熱端被測介質(zhì)的溫度。熱電勢的大小是隨著溫度變化而變化的，其變化關(guān)系為：
 
　　其中，EAB(T,T0)為熱電勢，EAB(T,0)是溫度為T時的接觸電勢，EAB(T0,0)是溫度為T0時的接觸電勢。
　　當(dāng)構(gòu)成熱電偶的材料均勻時，熱電勢的大小僅和材料的成分，以及冷端熱端的溫差有關(guān)。與熱電偶電極的幾何尺寸無關(guān)。測量中通常要求冷端溫度恒定，此時熱電勢是被測溫度T的單值函數(shù)。
1.2傳感器的冷端補(bǔ)償
　　在實(shí)際測量時，溫度測量的目的是測得以0℃為基準(zhǔn)的熱端的溫度t，而式（1）中的熱電勢EAB(T,T0)卻反映的是熱端和冷端的相對電勢，因此，只有將冷端置于冰水混合物中，才能使冷端不受外界溫度的影響始終保持為0℃，此時EAB對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)分度表的溫度才是熱端的實(shí)際溫度。但實(shí)際測量過程中，因為冷端處在外界環(huán)境中，受環(huán)境溫度影響很大，所以保持冷端溫度恒定很困難，因此，使用熱電偶測溫的過程中需要冷端補(bǔ)償。
 
根據(jù)式（1）可得
 
　　即只需要將測量得到的熱電勢EAB(T,T0)加上冷端修正熱電勢EAB(T0，0)即可得到熱電偶測量端熱電勢EAB(T,0)，通過查詢標(biāo)準(zhǔn)溫度表即可得到熱端溫度T?；蛘呃涠颂幱诤銣丨h(huán)境，即T0已知的情況下，也可以方便地測得熱端溫度T。冷端補(bǔ)償就是通過不斷的修正熱電勢EAB(T0，0)，或者修正T0值進(jìn)而得到熱端溫度T的過程。
　　一般情況下，修正T0值補(bǔ)償只需要將冷端放于恒溫環(huán)境中即可。而熱電勢EAB(T0，0)可以使用橋路補(bǔ)償。如圖2所示，圖中R4用銅絲繞制，R1、R2、R3用錳銅絲繞制。當(dāng)溫度變化時，由于R4的阻值變化，使電橋輸出一不平衡電壓，用以補(bǔ)償熱電偶冷端溫度變化引起的誤差。一般橋路在溫度為20℃時輸出為零，偏離20℃時就輸出補(bǔ)償電動勢。電橋平衡點(diǎn)設(shè)在溫度20℃，因此在使用時還必須對顯示儀表的指示值加以修正，修正到0℃時的輸出。電橋補(bǔ)償法已有標(biāo)準(zhǔn)的冷端溫度補(bǔ)償器供應(yīng)，對應(yīng)用不同的熱電偶，可以采用不同型號的冷端溫度補(bǔ)償器。這種方法主要用于熱電偶配動圈的顯示儀表中，在自動平衡式電子電位差計中對冷端溫度補(bǔ)償已在測量電橋中有考慮。
2熱電偶測量溫度的誤差
2.1分度誤差
　　工業(yè)上常用的熱電偶都用標(biāo)準(zhǔn)分度表分度，因此造成具體使用的熱電偶與標(biāo)準(zhǔn)分度表之間的誤差。即使對非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶采用單獨(dú)分度，由于被分度的熱電偶熱電特性的波動，分度時所采用的標(biāo)準(zhǔn)儀器及裝置的誤差亦會造成分度誤差。
 
2.2儀表誤差
　　熱電偶測溫必須和顯示記錄儀表配合使用。因此儀表的誤差將引入測量結(jié)果中。
2.3冷端處理誤差
　　上述的冷端處理方法中，若恒溫法中有溫度波動，自動補(bǔ)償法中有補(bǔ)償誤差及延伸導(dǎo)線熱電特性的不一致等都會造成誤差。
2.4接線誤差
　　與熱電偶配用的如果是動圈式儀表，這時由于線圈內(nèi)阻較低，因此接線電阻波動對輸出有影響，為消除這一影響，可設(shè)法使熱電偶電阻，接線電阻與儀表內(nèi)阻之和為常數(shù)或選用高內(nèi)阻的儀表。
2.5漏電誤差
　　不少無機(jī)絕緣材料的絕緣電阻值隨它本身溫度的升高而減小。由于絕緣材料的絕緣不好，特別是在高溫時，其絕緣性顯著變差，因而可以分流熱電動勢的輸出，另外也可能把被測對象所用之電源電壓泄漏到熱電偶回路中，這些都將造成漏電誤差。為減少此誤差，必須保證熱電偶有良好的絕緣。