溫度測量與熱電偶冷端補償

圓錐的布袋 2017-10-11

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熱電偶測溫的基本原理: 兩個不同導體A與B串接成一個閉合回路，如圖a所示，當兩個接點的溫度不同時(設(shè)T>T₀)，回路中就會產(chǎn)生熱電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。這種現(xiàn)象是1821年德國科學家賽貝克(T.Seebeck)發(fā)現(xiàn)的，所以又稱塞貝克效應(yīng)。

熱電偶的基本構(gòu)成: 導體的A和B稱為熱電偶的熱電極。放置在被測對象中的接點稱為測量端，習慣上又叫做熱端。另一接點稱為參考端，習慣上又叫冷端。

熱電動勢的測量: 熱電動勢包括接觸電勢和溫差電勢。溫差電勢遠比接觸電勢小，可以忽略。這樣閉合回路中的總熱電勢可近似為接觸電勢。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)把熱電勢EAB(T，T₀)和溫度T的關(guān)系繪成曲線或列成表格(分度表)，則只要用儀表測得熱電勢，就可以求出被測溫度T。

在理解熱電偶測溫原理時我們需要知道熱電偶的幾個特性:
  1. 組成熱電偶回路的兩種導體材料相同時，無論兩接點溫度如何，回路總熱電勢等于零。
  2. 如果熱電偶兩接點的溫度相同，T=T₀，則盡管導體A，B材料不同，熱電偶回路的總電勢亦為零。
      熱電偶回路的總電勢僅與兩接點溫度有關(guān)，與A、B材料的中間溫度無關(guān)。
  3. 在熱電偶回路中接入第三種材料的導體時，只要這根導體的兩端溫度相同，則不會影響原來回路的
      總熱電勢。這一性質(zhì)稱為中間導體定律。

在用熱電偶絲進行溫度測量時，熱電偶的冷端補償是必不可少的。那為什么要進行冷端補償呢？從熱電偶的測溫原理知道，熱電偶熱電勢大小不但與熱端溫度有關(guān)，而且與冷端溫度有關(guān)。只有在冷端溫度恒定的情況下，熱電勢才能正確反映熱端溫度大小。在實際運用中，熱電偶冷端受環(huán)境溫度波動的影響較大，因此冷端溫度不可能恒定，而要保持輸出電勢是被測溫度的單一函數(shù)值，必須保持一個節(jié)點溫度恒定。熱電偶技術(shù)條件都是指冷端(非工作端)處在0℃時的電動勢，要求工作時，保持0℃，這樣熱電勢才能正確反映熱端溫度大小，否則就會產(chǎn)生誤差。

有很多種可用于測量溫度的熱電偶類型，它們的溫度電動勢特性如下圖:

下表總結(jié)了典型的熱電偶類型及其優(yōu)缺點:

類型	優(yōu)點	缺點
B	適用于1000℃或以上的高溫測量。室溫下具有非常低的導熱性，無需補償導線。極好的耐酸性和耐化學性。	中低溫范圍內(nèi)導熱性低，600℃或600℃以下時無法進行測量。低靈敏度。低溫差電動勢線性。價格昂貴。
R/S	高精確性和低變更、低退化性。極好的耐酸性和耐化學性。可作為標準使用。	低靈敏度。易受還原氣氛影響(尤其是氫氣或金屬蒸氣)。導致重大的補償導線錯誤。價格昂貴。
N	具有極好的溫差電動勢線性。在1200℃或1200℃以下具有極好的耐酸性。不受短程排序影響。	不適用于還原氣氛。與貴金屬熱電偶相比，易遭受大的長期的改變。
K	具有極好的溫差電動勢線性。在1000℃或1000℃以下具有極好的耐酸性。在賤金屬熱電偶中具有極好的穩(wěn)定性。	不適用于還原氣氛。與貴金屬熱電偶相比，易遭受大的長期的改變。易受短程排序?qū)е碌腻e誤影響。
E	是當前最靈敏的熱電偶。具備比J類型更好的耐熱性。兩個支架都是無磁的。	不適用于還原氣氛。有輕微磁滯現(xiàn)象。
J	可用于還原氣氛。導熱性高出K類型約20％。	正極(“+”)鐵支架易生銹。特性不穩(wěn)定。
T	具有極好的溫差電動勢線性。在低溫下仍有很好的特性。質(zhì)量變化小。可用于還原氣氛。	低使用限制。正極(“+”)銅支架易氧化。導致重大的熱傳導錯誤。