溫度測(cè)量應(yīng)用中有多種類型的變送器,熱電偶是最常用的一種,可廣泛用于汽車、家庭等應(yīng)用領(lǐng)域。
本文主要是關(guān)于熱電偶測(cè)溫及其溫度計(jì)算的相關(guān)介紹，并著重描述了熱電偶的測(cè)溫原理。
熱電偶
熱電偶（thermocouple）是溫度測(cè)量?jī)x表中常用的測(cè)溫元件，它直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，通過(guò)電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測(cè)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。
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(shì)，該電動(dòng)勢(shì)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(shì)則稱為“熱電動(dòng)勢(shì)” ［1］ 。
熱電動(dòng)勢(shì)由兩部分電動(dòng)勢(shì)組成，一部分是兩種導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢(shì)，另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)。
熱電偶回路中熱電動(dòng)勢(shì)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(wú)關(guān)。當(dāng)熱電偶兩電極材料固定后，熱電動(dòng)勢(shì)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(cè)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(shì)只隨熱端（測(cè)量端）溫度的變化而變化，即一定的熱電動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)著一定的溫度。我們只要用測(cè)量熱電動(dòng)勢(shì)的方法就可達(dá)到測(cè)溫的目的?
熱電偶測(cè)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(guò)，此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢(shì)——熱電動(dòng)勢(shì)，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(shì)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(shì)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(cè)溫時(shí)，可接入測(cè)量?jī)x表，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)后，即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度。熱電偶測(cè)量溫度時(shí)要求其冷端（測(cè)量端為熱端，通過(guò)引線與測(cè)量電路連接的端稱為冷端）的溫度保持不變，其熱電勢(shì)大小才與測(cè)量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測(cè)量時(shí)，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將嚴(yán)重影響測(cè)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(cè)量?jī)x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(cè)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(cè)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。
各種類型的熱電偶溫度如何計(jì)算
一、S型熱電偶：鉑銠10-鉑熱電偶，溫度范圍0～1300℃；優(yōu)點(diǎn)：1、耐熱性、安定性、再現(xiàn)性良好及較優(yōu)越的精確度； 2、耐氧化、耐腐濁性良好； 3、可以做為標(biāo)準(zhǔn)使用。 缺點(diǎn)：1、熱電動(dòng)勢(shì)值小，補(bǔ)償導(dǎo)線誤差大； 2、價(jià)格高昂； 3、在還元性氣體環(huán)境較脆弱。（特別是氫、金屬蒸氣）
二、R型熱電偶：鉑銠13-鉑熱電偶，溫度范圍0～1300℃； 優(yōu)點(diǎn)：1、耐熱性、安定性、再現(xiàn)性良好及較優(yōu)越的精確度； 2、耐氧化、耐腐濁性良好； 3、可以做為標(biāo)準(zhǔn)使用。 缺點(diǎn)：1、熱電動(dòng)勢(shì)值小，補(bǔ)償導(dǎo)線誤差大； 2、在還元性氣體環(huán)境較脆弱（特別是氫、金屬蒸氣）； 4、價(jià)格比S分度高昂。
三、B型熱電偶：鉑銠30-鉑銠6熱電偶，溫度范圍0～1600℃； 優(yōu)點(diǎn)：1、耐氧化、耐腐濁性良好； 2、在常溫環(huán)境下熱電動(dòng)勢(shì)非常小，不需補(bǔ)償導(dǎo)線； 3、耐熱性與機(jī)械強(qiáng)度較R型優(yōu)良。 缺點(diǎn)：1、在中低溫域之熱電動(dòng)勢(shì)極小，600℃以下測(cè)定溫度不準(zhǔn)確； 2、熱電動(dòng)勢(shì)值小，熱電動(dòng)勢(shì)之直線性不佳； 3、價(jià)格比S分度還要貴；
四、K型熱電偶：鎳鉻-鎳硅熱電偶，溫度范圍0～1300℃； 優(yōu)點(diǎn)：1、熱電動(dòng)勢(shì)之直線性良好； 2、1000℃以下耐氧化性良好； 3、在金屬熱電偶中安定性屬良好。 缺點(diǎn)：1、熱電動(dòng)勢(shì)與貴金屬熱電偶相比較時(shí)變化較大； 2、不適用于還元性氣體環(huán)境； 3、受短范圍排序之影響會(huì)產(chǎn)生誤差。
五、N型熱電偶：鎳鉻硅--鎳硅熱電偶，溫度范圍-270～1300℃； 優(yōu)點(diǎn)：1、1200℃以下耐氧化性良好。 2、熱電動(dòng)勢(shì)之直線性良好。 缺點(diǎn)：1、不適用于還元性氣體環(huán)境 2、熱電動(dòng)勢(shì)與貴金屬熱電偶相比較時(shí)變化較大。
六、E型熱電偶：鎳鉻硅--康銅熱電偶，溫度范圍-270～1000℃ 優(yōu)點(diǎn)：1、熱電偶中感度最好； 2、與J熱電偶相比耐熱性良好； 3、適于氧化性氣體環(huán)境。 4、價(jià)格低廉 缺點(diǎn)：不適用于還元性氣體環(huán)境
七、J型熱電偶：鐵--康銅熱電偶，溫度范圍-210～1000℃； 優(yōu)點(diǎn)：1、可使用于還元性氣體環(huán)境 2、熱電動(dòng)勢(shì)較K熱電偶大20%。 3、價(jià)格較便宜，適用于中溫區(qū)域。 缺點(diǎn)：易生銹，再現(xiàn)性不佳。
八、T型熱電偶：銅--康銅熱電偶，溫度范圍-270～400℃； 優(yōu)點(diǎn)：1、熱電動(dòng)勢(shì)之直線性良好。 2、低溫之特性良好 3、再現(xiàn)性良好、高精度。 缺點(diǎn)：1、使用溫度限度低。 2、熱傳導(dǎo)誤差大。
九、PT100型熱電阻：鉑電阻，溫度范圍-200～500℃； 鉑材料的優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)穩(wěn)定性好、能耐高溫，容易制得純鉑，它的缺點(diǎn)是：在還原介質(zhì)中，特別是在高溫下很容易被從氧化物中還原出來(lái)的蒸汽所沾污，使鉑絲變脆，并改變電阻與溫度之間的關(guān)系。
十、Cu50型熱電阻：銅電阻，溫度范圍-50～100℃： 銅熱電阻的價(jià)格便宜，線件度好，工業(yè)上在-50-- 100℃范圍內(nèi)使用較多。銅電阻怕潮濕，易被腐蝕，熔點(diǎn)亦低。
熱電偶溫度計(jì)算
當(dāng)熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線連接處溫度高于控制室溫度時(shí) 補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償電勢(shì)正應(yīng)該熱電偶產(chǎn)生熱電勢(shì)【加上】補(bǔ)償導(dǎo)線產(chǎn)生補(bǔ)償電勢(shì)接反了相當(dāng)于加上了負(fù)值會(huì)使指示偏低；
當(dāng)熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線連接處溫度低于控制室溫度時(shí) 補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償電勢(shì)負(fù)應(yīng)該熱電偶產(chǎn)生熱電勢(shì)【減去】補(bǔ)償導(dǎo)線產(chǎn)生補(bǔ)償電勢(shì)接反了相當(dāng)于減去了負(fù)值會(huì)使指示偏高；
當(dāng)熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線連接處溫度等于控制室溫度時(shí)補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償電勢(shì)零對(duì)測(cè)量沒(méi)有影響
E=Ek(t,tc)-Ek(tc,t0)+Ek(t0,0)
=12.029-2.023-(2.023-0.798)+0.798
=9.759mV
查表可得溫度約為240。C
熱電偶測(cè)溫原理
1、2兩點(diǎn)的溫度不同時(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，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(shì)、電流分別叫熱電勢(shì)、熱電流。
熱電偶溫度計(jì)屬于接觸式溫度測(cè)量?jī)x表。是根據(jù)熱電效應(yīng)即塞貝克效應(yīng)原理來(lái)測(cè)量溫度的，是溫度測(cè)量?jī)x表中常用的測(cè)溫元件。將不同材料的導(dǎo)體A、B接成閉合回路,接觸測(cè)溫點(diǎn)的一端稱測(cè)量端,一端稱參比端。若測(cè)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(shì)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(cè)量端放到被測(cè)溫度t處，而將參比端分開(kāi)，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(cè)電勢(shì)只隨被測(cè)溫度而t變化。
在1821年德國(guó)醫(yī)生塞貝克在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)熱電效應(yīng)以來(lái)，經(jīng)珀?duì)柼?、湯姆遜以及開(kāi)爾文等科學(xué)家的大量研究，熱電效應(yīng)理論得到了不斷的發(fā)展，并日趨完善。熱電偶是熱電效應(yīng)的具體應(yīng)用之一，它在溫度測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用，熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制造、使用方便和測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)?？捎糜诳焖贉y(cè)溫、點(diǎn)溫測(cè)量和表面測(cè)量等，但是熱電偶也存在著不足的地方，如使用的參考端溫度必須恒定，否則將歪曲測(cè)量結(jié)果；在高溫或長(zhǎng)期使用中，因受被測(cè)介質(zhì)或氣氛的作用（如氧化、還原等）而發(fā)生劣化，降低使用壽命。盡管如此，熱電偶仍在工業(yè)生產(chǎn)和科研活動(dòng)中起著舉足輕重的作用。下面我們從三個(gè)熱電效應(yīng)的闡述中來(lái)討論熱電偶的測(cè)溫原理。?
一、塞貝克效應(yīng)和塞貝克電勢(shì)?
熱電偶為什么能用來(lái)測(cè)量溫度呢？這就是從熱能和電能的相互轉(zhuǎn)化的熱電現(xiàn)象說(shuō)起。在1821年，塞貝克通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)一對(duì)異質(zhì)金屬A、B組成的閉合回路（如圖1-1）中，如果對(duì)接點(diǎn)a加熱，那么，a,b兩接點(diǎn)的溫度就會(huì)不同，溫度不同，就會(huì)有電流產(chǎn)生，使得接在電路中的電流表發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這一現(xiàn)象現(xiàn)今稱為溫差電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)，相應(yīng)的電勢(shì)稱為溫差熱電勢(shì)或塞貝克電勢(shì)，它在熱電偶回路中產(chǎn)生的電流稱為熱電流。Ａ、Ｂ稱為熱電極，接點(diǎn)a是用焊接的方法連接一起的，測(cè)溫時(shí)，將它置于被測(cè)溫度場(chǎng)中，稱為測(cè)量端或者工作端，接點(diǎn)b一般要求恒定在某一溫度稱為參考端或自由端。?
3．熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償由于?熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴?金屬時(shí)），而測(cè)溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱?電偶材料，降低成本，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的冷?端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到?儀表端子上。必須指出，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動(dòng)到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對(duì)測(cè)溫的影響，不起補(bǔ)償作用。因此，還需采用其他修正方法來(lái)補(bǔ)償冷端溫度t0≠0℃時(shí)對(duì)測(cè)溫的影響。在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意型號(hào)相配，極性不能接錯(cuò)，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接端的溫度不能超過(guò)100℃。?
在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意型號(hào)相配，極性不能接錯(cuò)，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接端的溫度不能超過(guò)100℃。冷端溫度補(bǔ)償器的型號(hào)應(yīng)與熱電偶的型號(hào)相符,并在規(guī)定溫度范圍內(nèi)使用;?冷端溫度補(bǔ)償器與熱電偶連接時(shí)極性不能接錯(cuò);?根據(jù)補(bǔ)償器的平衡點(diǎn)溫度調(diào)整儀表起始點(diǎn),使指針批示在平衡點(diǎn)溫度;?具有自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的顯示儀表不安裝補(bǔ)償器;補(bǔ)償器必須定期檢查和檢定。
溫度補(bǔ)償
由于熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴金屬時(shí)），
而測(cè)溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到儀表端子上。必須指出，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動(dòng)到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對(duì)測(cè)溫的影響，不起補(bǔ)償作用。因此，還需采用其他修正方法來(lái)補(bǔ)償冷端溫度t0≠0℃時(shí)對(duì)測(cè)溫的影響。在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意型號(hào)相配，極性不能接錯(cuò)，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接端的溫度差不能超過(guò)100℃。
結(jié)語(yǔ)
關(guān)于各種類型的熱電偶溫度如何計(jì)算相關(guān)介紹就到這了，希望通過(guò)本文能讓你對(duì)熱電偶有更全面的認(rèn)識(shí)。