測溫熱電偶的工作原理及其在現場中的應用

摘要：溫度測量在冶金生產中有著重要的意義，而鋼鐵企業中溫度的測量大部分都采用的是熱電偶測溫。本文的主要目的是講解熱電偶是怎么測量溫的原理以及熱電偶在現場的應用。

關鍵詞：溫度測量;測量方法;熱電偶測溫

1? 溫度測量的基本知識

溫度與人們的生活有著息息相關，例如家用電冰箱、電飯煲、微波爐和空調，都是通過溫度來實現控制的。工業生產中溫度測量及控制也是非常普遍的，例如煉鐵高爐熱風爐自動燃燒控制系統中，爐頂溫度的控制及測量;煉鋼熱軋加熱爐中爐膛溫度的測量就是通過熱電偶來進行測溫的。那么，什么是溫度呢？

①溫度的定義：就是把物體是冷還是熱具體的量化出來。

②溫標：溫度數值的表示方法稱為溫標。溫標可以分為四種：攝氏溫標、華氏溫標、熱力學溫標和國際實用溫標。它們各有各有的定義，并且相互之間有轉換公式。如表1。

③溫度測量方法。

根據被測量對象與測溫元件之間是否接觸與否，如果接觸就是接觸測量，如用熱電偶和熱電阻測量現場的溫度就是接觸測量。如果不相接觸就是非接觸測量，如紅外線測溫儀和高溫輻射計測量溫度。

2? 熱電偶的工作原理

2.1 熱電效應

1821年，物理學家塞貝克做了一個嘗試性的實驗，從中總結得出的熱電效應。具體操作步驟是：將兩種密度有差異的導體鉸接在一起，構建成閉合回路。先用一只酒精燈去燒結點，發現隨著用酒精燈燒的結點的顏色發生變化，放在閉合回路中的直流毫伏表指針發生偏轉;與此同時并沒有撤去第一只酒精燈，用另一只酒精燈去燒另外一個結點，發現隨著酒精燈燒的另一結點的顏色和前一個結點的顏色漸漸接近，觀察到閉合回路中的直流毫伏表的指針偏轉角也隨著逐漸減小，當兩個結點的顏色一樣時，直流毫伏表的指針指在零上。閉合回路就是所說的熱電偶傳感器，兩個導體就是組成熱電偶的兩個電極，兩個結點就分別是熱電偶的冷端和熱端。

2.2 熱電偶熱電勢的組成

2.2.1 兩導體的接觸電勢

兩導體的密度不一樣時，這兩種導體之間就會互相擴散自由電子，當然，密度大的向密度小的擴散的自由電子比密度小的向密度大的擴散的自由電子數多。所以，最后相當于密度大的失去電子，所以就帶正電，密度小的得到電子，所以就帶負電。因此就在兩種導體接觸點的位置上產生電動勢，因為這個電勢在兩導體的接觸點處，把它叫做兩導體的接觸電勢。記為EAB（T）。E為電動勢，A，B為熱電偶的兩個電極，T為結點處的溫度。A為高電位，B為低電位。如果導體的密度存在一定的差異時，就會在兩導體相接觸的地方形成兩導體的接觸電勢。兩導體的接觸電勢的數值與兩導體接觸點處的溫度高低有關，溫度越高兩導體的接觸電勢就越大，規定低電位指向高電位的方向是接觸電動勢的方向。由于測溫熱電偶的回路中有兩個相接觸的點就會在兩個接觸點處形成電勢，所以測溫熱電偶的回路中存在兩個接觸電勢。

2.2.2 單一導體的溫差電勢

當導體兩端的溫度不同時，假設T大于T0。單一導體熱度高的與熱度低的之間就會存在互相擴散電子的現象。當然，溫度高的擴散的多，溫度低的擴散的少。最終導致熱度高的端逸失了一些電子，所以熱度高的就帶正電，熱度低的端就得到了一些電子，所以熱度低的端就帶負電。這樣就在導體的兩端產生了溫差電勢。當導體的兩個端部存有熱度差值的時候，就會在單一導體的兩頭形成溫差電動勢。單一導體的溫差電勢的大小和該導體的密度之間有一定的關系，單一導體的溫差電勢的方向：規定是從低溫端指向高溫端。由于測溫熱電偶閉合回路中含有兩種不一樣的導體，所以測溫熱電偶回路中就存在兩個溫差電勢。

2.2.3 閉合回路中總電勢

熱電偶回路中共有四個電勢分別是EAB（T），EAB（T0），EA （T，T0）和EB （T，T0）。依據電路分析課程中學過的基本知識，可以很容易的寫出熱電偶回路中總電勢。EAB （T，T0）為熱電偶回路中的總電勢。

從上面所闡述的內容可以得出，測溫熱電偶形成熱電勢要滿足的條件：①兩電極的材質不同也就是說兩種導體的密度必須有差異。②兩結點的溫度不同即結點溫度T和結點溫度T0不相等。③必須形成閉合回路。

3? 熱電偶的應用

3.1 測量現場的溫度

測量加熱爐爐膛溫度，要將熱電偶插入到爐膛中，熱電偶的熱端處在加熱爐的爐膛中，冷端在現場環境中。此時測溫，一定要考慮到熱電偶的冷端溫度是否在零攝氏度，如果冷端不在零攝氏度要考慮冷端溫度補償。

3.2 溫度補償的問題

當然溫度補償就需要用補償導線來實現。那么，補償導線的接線就需要特別注意。因為補償導線有兩個極分別是“+”極和“-”極，熱電偶的熱電極和補償導線有同樣的極，因此熱電偶的補償導線與熱電偶在進行導線連接時一定要特別留意它們的極別，千萬不可以接錯。如果在現場無法區分的時候，要會利用萬用表來判別熱電偶的正極和負極。具體的操作方法是：把萬用表的“+”表筆放在電壓檔的插孔中，把萬用表的“-”表筆放在公共端孔中，“+”表筆和“-”表筆分別熱電偶的兩個熱電偶絲接觸，觀察顯示數值的極性，如果顯示的數字前面是“+”，就能很快的判斷出接紅表筆的電極就是熱電偶的正極;如果顯示的數字前是“-”，就能很快的判斷出接紅表筆的電極就是熱電偶的負極。熱電偶補償導線正、負怎么區分，一般是根據經驗來區分的，一般是較硬的為正。

3.3 補償導線的選擇問題

補償導線的類別有C和X兩種，C——補償型，X——延伸型。如果采用的補償導線是補償型的，C后面字母和熱電偶傳感器的類型一致，如果不一致的話，就說明補償導線選擇的不正確，最終得出的測量結果并不是現場的實際溫度。例如：用S熱電偶測量溫度，并沒有選用S補償導線，而是采用了K型補償導線，這就相當于把K型熱電偶的熱電動勢加在了S熱電偶中。并且在0-100℃之間，K的毫伏值大于S的毫伏值，導致測量的結果比現場實際值高。

3.4 熱電偶的安裝方式選擇

安裝方式的選擇要結合現場的實際來選擇，測量加熱爐爐膛溫度時，只要將熱電偶安裝在爐膛的爐壁上用石棉繩把空隙塞上就可以了。如果是高壓場合就要選擇法蘭安裝。在安裝熱電偶時，要具體的看管道的分布情況，如果是把熱電偶安裝在水平管道上，熱電偶就要垂直的安裝在管道的中心線處，這樣測出的結果和現場的實際值偏差特別小。如果是把熱電偶安裝在垂直管道上，為了保證測量的準確度，就把熱電偶安裝在與管道中心線呈斜向下45度角的方向上。

3.5 熱電偶測量溫度時，要想得到現場的實際溫度，是需要經過計算的，在計算時要特別注意冷端溫度

如果冷端的溫度不是零攝氏度，就不能查熱電偶溫度-熱電勢曲線圖，只有把冷端的補償電勢加進去才可以查表得出現場的實際溫度。

3.6 熱電偶型號選擇的問題

檢測溫度的元器件有金屬測溫熱電阻和熱電偶，根據金屬電阻和電偶的組成材料來看，測溫電阻檢測的范圍比較小。而現場實際的溫度很多時候超過了1000℃，因此用熱電阻測量溫度已經不能滿足現場的測溫要求。而熱電偶測溫范圍可以達到一千多度，可以對現場的很多測溫點進行測量。為了得到更精確的結果，正確選擇熱電偶的型號，就顯得非常重要。如果測量的溫度在1600℃左右，就要選擇B型熱電偶;如果測量的溫度在1400℃左右，就要選擇S型熱電偶;如果測量的溫度在1200℃左右，就要選擇K型熱電偶。

4? 總結

熱電偶測溫在工業現場的應用很廣泛。熱電偶在使用的過程中，要看具體的現場條件再決定熱電偶的安裝方式，并且安裝方式和方向要嚴格按照國家標準進行。否則就會在測量時產生誤差或者會發生故障而影響生產。

參考文獻：

[1]梁森.自動檢測與轉換技術[M].北京：機械工業出版社，2015，6.

[2]張華.熱工測量儀表[M].北京：機械工業出版社，2008.

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作者簡介：潘俊花（1980-），女，甘肅武威人，甘肅鋼鐵職業技術學院副教授，工學學士，主要研究方向為測控技術與儀器儀表。