热电偶温度计
热电偶温度计是基于热电效应这一原理测量温度的。
图1 - 59 是热电偶测温度系统的简单示意图, 它主要由3 部分组成: 热电偶是系统中的测温元件; 测量仪表是用来检测热电偶产生的热电势信号的, 可采用动圈式仪表或电位差计; 导线是用来连接热电偶与测量仪表, 为了提高测量精度, 一般都要采用补偿导线和考虑冷端温度补偿。
1. 热电偶
热电偶是由两种不同材料的导体A 和B 焊接或绞接而成, 如图1 - 60 所示。焊接的一端称作热电偶的工作端( 习惯上称为热端) , 另一端与导线连接, 称作自由端(习惯上称为冷端)。导体A、B 称为热电极, 合称热电偶。
工作时, 将图1 - 59 所示的测温系统热电偶的工作端插入需要测量的生产设备中, 冷端置于生产设备的外面, 如果两端所处的温度不同(热端为t , 冷端为t0 ) , 则在热电偶回路内就会产生热电势, 并把这种物理现象叫热电效应。该热电势与热电偶材料、热电偶两端温度t 和t0 均有关。如果t0 保持不变, 热电偶材料已定的情况下, 该热电势只是被测温度t的单值函数, 这就是热电偶测温的物理基础。
2. 热电偶的重要结论
由热电偶的测温原理和通过实验方法可得出以下结论:
①不同材料制成的热电偶, 在相同温度下产生的热电势是不同的。例如: 同在t0 =0℃ , t = 100℃时, 镍铬—镍硅热电偶产生的热电势为4.095mV, 而镍铬—康铜热电偶产生的热电势为6.317mV。
②如果组成热电偶回路的两种材料相同, 则无论热电偶两端温度如何, 热电偶回路内的总热电势为零。
③如热电偶两端温度相同, t = t0 , 则尽管A、B 材料不同, 热电偶回路内的总热电势亦为零。
④热电偶AB 的热电势与A、B 材料的中间温度无关, 而只与端点温度t 和t0 有关。
⑤在热电偶回路中接入第三种材料的导体后, 只要与第三种导体接点的温度相同, 则对热电偶的热电势无影
响。如图1 - 61 所示。
这是热电偶回路很重要的性质, 正是由于这种性质的存在, 才可以在回路中引入各种仪表、连接导线等, 而不
必担心会对热电势有影响。
如果接入的第三种导体的两端温度不等, 热电偶回路的热电势将要发生变化, 变化的大小取决于导体的性质和
接点温度。因此, 在测量过程中必须接入的第三种导体不易采用与热电偶热电性质相差很远的材料, 否则, 一旦温度变化, 热电势的变动很大。
3. 常用热电偶的种类及结构
(1 ) 常用热电偶的种类
根据热电偶测温基本原理, 理论上似乎任意两种导体都可以组成热电偶。但是, 为了保证温度测量的可靠性、精度要求, 就不是所有的导体都可以用做热电偶的材料, 必须对它们进行严格的选择。
表1 - 4 为几种常用热电偶及其特性。
(2 ) 热电偶的结构型式
热电偶为适应测温的需要, 有多种结构型式。从基本组成上看, 都是由热电极、绝缘材料、保护套管和接线盒等组成。普通热电偶结构见图1 - 62 所示。
组成热电偶的两根热偶丝称热电极, 热端焊接在一起。两根热偶丝之间用绝缘管绝缘,防止两根热电极短路, 然后装入保护套管中, 外部接线由接线盒引出。
保护套管的作用是保护热电极免受化学和机械作用损伤, 以获得较长的使用寿命和准确性。对保护套管材料和
结构形式的要求是保证它能耐高温、耐腐蚀、承受温度的剧变, 有良好的气密性、足够的机械强度及高导热系数。
常用的有无缝钢管、不锈钢管、石英管等。
热电偶的结构型式是根据它的用途和安装地点的具体情况来决定的, 除上述带有保护套管的形式外, 还有薄膜
式、铠装热电偶。
在选择热电偶时, 要注意三方面: 一是保护套管的结构、材料及耐压强度, 二是套管的插入深度; 三是热电极材料。
表1 - 4 常用热电偶及其特性
热电偶名称铂铑10—铂镍铬—镍硅镍铬—康铜型 号WRP WRN WRE分度号S K E热电极材料
正热电极铂铑合金镍铬合金镍铬合金
负热电极纯铂镍硅合金康铜合金
线径D, mm 0.4～0.5 1.0～2.5 1.0～2 100℃时的电势, mV 0.643 4.095 6.317 使用温
度范围
℃
长期使用1300 900 600 短期使用1600 1200 800 0～300℃允许误差, ℃ ±3 ±4 ±4 300℃以上允许误差±0.5% ±1% ±1% 主要特性
复制精度和测量准确度高,
用于精密测量及作基准热
电偶, 性能稳定, 但热电
势小, 成本高
复制性好, 热电势大, 线
性好, 化学稳定性高, 价
格便宜, 是工业生产中最
常用的一种
热电势大, 灵敏度高, 价
格便宜康铜合金丝易受氧
化而变质, 材质较硬, 不
易得均匀的线径
4. 补偿导线与冷端温度补偿
(1 ) 补偿导线
由热电偶测温原理可知, 只有当热电偶的冷端温度保持不变时, 热电势才是被测温度的单值函数。但在应用时, 由于热电偶的冷端靠近设备或管道, 不仅受环境温度的影响, 而且还受设备和管道中物料温度的影响, 很难保持恒定。
为了准确的测量温度, 应把热电偶的冷端延伸至控制室。最简单的办法是将热电偶延长, 但由于热电偶丝多属贵重金属材料, 是不经济的。一般是用一种导线将热电偶的冷端延伸出来, 这种导线在一定温度范围内( 0～100℃ ) , 具有和所连接的热电偶有相同的热电特性, 其材料又是廉价金属, 这种用来延伸冷端的专用导线称为补偿导线。表1 - 5 中列出常用热电偶的补偿导线。

必须指出, 使用补偿导线时, 应当注意补偿导线的正、负极必须与热电偶的正、负极各端对应相接。
表1 - 5 常用补偿导线
热电偶
名 称
补偿导线
正 极负 极
材料
颜色
材料
合金丝
绝缘层
材料
颜色
材料
合金丝
绝缘层
工作端为100℃ 冷端为0 ℃时的
标准热电势, mV
铂铑10—铂( WRP ) 铜红红镍铜绿绿0.643±0.03 镍铬—镍硅( WRN) 铜红红康铜棕蓝(黑) 4.095±0.15 镍铬—康铜(WRE) 镍铬紫红康铜棕棕6.317±0.30 (2 ) 热电偶的冷端温度补偿常用各种热电偶的温度—热电势关系图表( 即热电偶分度表) 是在冷端温度为0℃的情况下得到的, 与它配套使用的仪表也是根据这一关系进行刻度的。虽然采用补偿导线把热电偶延伸到温度较恒定的热方, 但此时冷端温度一般还不是0℃ (往往高于0℃) , 只要冷端不等于0℃ , 就必须加以一定的修正或补偿, 才能得到测量的准确结果。一般采用下列几种方法:
①冷端温度修正法: 如果测温热电偶的热端为t℃ , 冷端不是0℃ , 而是t0 ℃ , 这时不能用测得的E ( t , t0 ) 去查分度表t , 而应根据下式进行修正:
E( t , 0) = E( t , t0 ) + E( t0 , 0)
或E( t , t0 ) = E( t , 0) - E( t0 , 0) (1 - 60)
式中 E ( t , 0) ———冷端为0℃ , 热端为t℃时的热电势;
E ( t , t0 ) ———冷端为t0 ℃ , 热端为t℃时的热电势;
E ( t0 , 0 ) ———冷端为t0 ℃时应加的校正值。
例: 用镍铬—镍硅热电偶在冷端温度为25℃时, 测得的热电势为34.354mV, 试求热电偶所测的实际温度。
解: 查镍铬—镍硅热电偶分度表, 得E ( 25 , 0) = 1.000mV, 则
E ( t , 0) = E ( t , 25) + E (25 , 0 ) = 34.354 + 1.000 = 35.354mV
再查上述分度表, 得实际温度为851℃。
②补偿电桥法: 补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值, 它是一种冷端温度自动补偿法。如图1 - 63 所示。
不平衡电桥由电阻R1 、R2 、R3 (锰铜线绕制) 和Rcu ( 铜丝绕制) 等4 个桥臂和稳定电源所组成, 串联在热电偶测温回路中。热电偶的冷端与电阻RCu 放在一起, 感受相同的温度。电桥通常取在20℃时处于平衡, 即R1 = R2 = R3 = RCu , 此时对角线a、b 两点电位相等, 即Uab = 0 , 对仪表的读数无影响。当冷端温度升高( 或降低) 时, 热电偶因冷端温度升高( 或降低) 而使热电势减小(或增大) , 电桥则由于RCu 阻值的增加(或减小) 而使a 点电位高于(或低于) b 点电位, 在桥路对象线a、b 之间输出一个不平衡电压Ua b , 并与热电偶的热电势相叠加, 一起送入测量仪表。如适当选择桥臂电阻和电流的数值, 可使电桥产生的不平衡电压Ua b 正好补偿由于冷端温度变化而引起的热电势变化值, 仪表即可指示出正确的温度。
由于电桥是在20℃ 时平衡, 采用这种补偿电桥时, 需把仪表的机械零点预先调到20℃处。如果补偿电桥是在0℃时平衡的, 则仪表应调在0℃处。
5. 电位差计
(1 ) 手动电位差计
无论是手动电位差计还是自动电位差计, 其基本工作原理都是以电压平衡法( 也称补偿法、零值法) 为基础的。
我们用天平来称物体质量时, 是通过增减砝码来使砝码质量与被测物的质量达到平衡,指针为零, 这时被称物体的质量就等于砝码的质量。
各种电位差计的工作原理就是根据这种平衡法( 或零值法) 将被测电势与已知的标准电势相比较, 当两者的差值为零时, 被测电势就等于已知的标准电势。
图1 - 64 电压平衡原理图
图1 - 64 是电压平衡法的原理图。图中, R 是线性度很高的锰铜线绕电阻( 大小已知) , 它由稳压电源供电, 可以认为通过它的电流I 是恒定的。G 为检流计, 它是个灵敏度很高的电流计。Et 为被测的未知热电势。测量时, 手动调节滑动触点的位置, Rcb 上的压降Ucb 就发生变化, 即Uc b = I·Rc b 。
这样, 当Ucb 大于Et 时, 检流计中就有电流流过, 指针就向一方偏转, 当Ucb 小于Et 时, 检流计中也有电流流过, 但电流方向相反, 只有当Ucb = Et 时, 检流计中无电流流过, 即此时Ig = 0 , 也就是说, 这时的已知电压Ucb 正好和未知热电势相平衡。所以, 只要检流计中无电流流过, 就必有Uc b = Et , 这时根据滑动触点C 的位置可以读出Ucb , 就达到了对未知热电势测量的目的。
图1 - 65 用标准电池标
定工作电流
由式Uc b = IRc b 可知, 当检流计无电流通过时, 有:
Ucb = I· Rc b = Et
可以看出, 测量Et 的精确程度是与流过电阻R 的电流I 密切相关的。电源用一般电池时, 为了确保工作电流I 的恒定,必须引入工作电流的校正回路。图1 - 65 是利用标准电池Es 来校准工作电流的直流电位差计( 便携式电位差计) 的原理线路。此时电位差计由电池E 供电, 为了能够调整流过绕线电阻R 的工作电流I , 在工作回路中加入可调电位器RJ 和标准电阻Rs 。其测量方法如下:
①校准工作电流, 将开关K 合在“1” 的位置上, 然后调节工作回路的电位器RJ , 使检流计G 的指示为零, 此时工作电流I 在标准电阻Rs 上的电压降与标准电池的电势Es 相等, 即:
Es = I· Rs
所以, I =Es/Rs
因为Es 为标准电动势, Rs 为标准电阻, 两个都是已知的标准值, 所以此时的电流I 为仪表设计时的规定值。
②测量未知热电势Et , 工作电流校准以后, 将开关K 合到“2” 的位置上, 这时, 校准回路断开, 测量回路接通, 移动滑动触点C 的位置, 直至检流计指示为零, 此时:
UBC = IRBC = ( ES/ RS )· RBC = Et
于是被测电势Et 就可以由C 点的位置确定。
手动电位差计型式很多, 主要用于实验室或现场校验。常用的有UJ—31、UJ—37、UJ—33 等。
(2 ) 电子电位差计
电子电位差计与手动电位差计的不同之处是: 用电子放大器代替检流计; 用可逆电机及一套机械传动机构代替人的手工操作, 其原理方框图如图1 - 66 所示。
图1 - 66 电子电位差计原理方框图
由热电偶输入的热电势与测量桥路产生的已知直流电压相比较, 其比较后的差值( 即不平衡电压) 经放大器放大后, 其输出可达到足以驱动可逆电机转动的功率, 使可逆电机旋转, 可逆电机通过一套传动系统带动指示记录机构, 同时还带动测量桥路中滑线电阻的滑触头, 改变滑线电阻与滑触点的接触位置, 直到测量桥路产生的电压与热电偶的热电势平衡为止。滑触点的每一平衡位置相应于标尺上的一定数值。因此, 当桥路处于平衡状态时, 指示机构的指针在标尺上指示出一定的温度读数, 这就是电子电位差计的工作原理。
6. 热电偶常见故障分析
热电偶在使用过程中可能出现一些故障, 常见故障分析如下:
(1 ) 测量仪表没有示值
可能原因是由于热电偶内部偶丝断路。
(2 ) 测量仪表指示值与实际值不符
可能原因是:
①热电极短路;
②热电偶的接线柱处积灰, 造成短路;
③补偿导线间短路;
④补偿导线与热电偶不配套;
⑤补偿导线与热电偶极性接反等等。
总之, 当热电偶测温系统出现问题时, 要先分清原因, 再去处理。