熱電偶K型測溫的基本原理及基礎(chǔ)知識

　　一、熱電偶基礎(chǔ)知識

　　熱電偶是溫度測量中應(yīng)用最普遍的測溫器件，它的特點(diǎn)是測溫范圍寬，性能穩(wěn)定，有足夠的測量精度，能夠滿足工業(yè)過程溫度測量的需要。結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應(yīng)好;輸出為電信號，可以遠(yuǎn)傳，便于集中檢測和自動控制。

　　熱電偶的測溫原理基于熱電效應(yīng)。將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連成閉合回路，當(dāng)兩個接點(diǎn)處的溫度不同時，回路中將產(chǎn)生熱電勢，這種現(xiàn)象即是熱電效應(yīng)，又稱賽北克效應(yīng)。

　　熱電偶的要求：

　　(1) 在測溫范圍內(nèi)熱電偶性能穩(wěn)定，不隨時間和被測對象而變化;

　　(2) 在測溫范圍內(nèi)物理化學(xué)性能穩(wěn)定，不易氧化和腐蝕，耐輻射;

　　(3) 所組成的熱電偶要有足夠的靈敏度，熱電勢隨溫度的變化率要足夠大;

　　(4) 熱電特性接近單值線性或近似線性;

　　(5) 電導(dǎo)率高，電阻溫度系數(shù)小;

　　(6) 機(jī)械性能好，機(jī)械強(qiáng)度高，材質(zhì)均勻;工藝性好，易加工，復(fù)制性好，制造工藝簡單，價格便宜。

　　熱電偶K型是一種感溫元件,直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號,通過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。能測量較高溫度,性價比很高，是工業(yè)自動化控制中常用的一種熱電偶。直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，通過電氣儀表(二次儀表)轉(zhuǎn)換成被測介質(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。

　　二、熱電偶K型測溫的基本原理：

　　熱電偶測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,回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢——熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。

　　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恒定的溫度下。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(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,只要該材料兩個接點(diǎn)的溫度相同,熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此,在熱電偶測溫時,可接入測量儀表,測得熱電動勢后,即可知道被測介質(zhì)的溫度。

　　三、影響K型熱電偶測溫的兩種因素

　　當(dāng)熱電偶的長度較長時，則大部分偶絲處于高溫區(qū)，如果熱電偶絲是均質(zhì)的，那么依據(jù)均質(zhì)回路定則，測量結(jié)果與長度無關(guān)。然而，熱電偶絲并非均質(zhì)，尤其是廉金屬熱電偶絲其均質(zhì)性較差，又處于具有溫度梯度的場合，那么其局部將產(chǎn)生熱電動勢，該電動勢稱為寄生電勢。由寄生電勢引起的誤差稱為不均質(zhì)誤差。在現(xiàn)有的貴金屬、廉金屬熱電偶檢定規(guī)程中，對熱電偶的不均質(zhì)尚未作出規(guī)定，只有在熱電偶絲材標(biāo)準(zhǔn)中，對熱電偶絲的不均勻性有一定要求。

　　K型熱電偶絲經(jīng)使用后產(chǎn)生的不均質(zhì)對于新制的熱電偶，即使是不均勻熱電動勢能滿足要求，但是，反復(fù)加工、彎曲致使熱電偶產(chǎn)生加工畸變，也將失去均質(zhì)性，而且使用中熱 電偶長期處于高溫下也會因偶絲的劣化而引起熱電動勢變化，例如：插入工業(yè)爐中的熱電偶，將沿偶絲長度方向發(fā)生劣化，并隨溫度增高，劣化增強(qiáng)，當(dāng)劣化的部分處于具有溫度梯度的場所，也將產(chǎn)生寄生電動勢疊加在總熱電動勢中而出現(xiàn)測量誤差。

　　四、K型熱電偶的三個基本定律

　　1，均質(zhì)導(dǎo)體定律

　　由同一種均質(zhì)材料(導(dǎo)體或半導(dǎo)體)兩端焊接組成閉合回路，無論導(dǎo)體截面如何以及溫度如何分布，將不產(chǎn)生接觸電勢，溫差電勢相抵消，回路中總電勢為零。

　　可見，熱電偶必須由兩種不同的均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體構(gòu)成。若熱電極材料不均勻，由于溫度梯存在，將會產(chǎn)生附加熱電勢。

　　2，中間導(dǎo)體定律

　　在熱電偶回路中接入中間導(dǎo)體(第三導(dǎo)體)，只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，中間導(dǎo)體的引入對熱電偶回路總電勢沒有影響，這是中間導(dǎo)體定律。

　　應(yīng)用:依據(jù)中間導(dǎo)體定律，在熱電偶實(shí)際測溫應(yīng)用中，常采用熱端焊接、冷端開路的形式，冷端經(jīng)連接導(dǎo)線與顯示儀表連接構(gòu)成測溫系統(tǒng)。

　　有人擔(dān)心用銅導(dǎo)線連接熱電偶冷端到儀表讀取mV值，在導(dǎo)線與熱電偶連接處產(chǎn)生的接觸電勢會使測量產(chǎn)生附加誤差。根據(jù)這個定律，是沒有這個誤差的!

　　3，中間溫度定律

　　熱電偶回路兩接點(diǎn)(溫度為T、T0)間的熱電勢，等于熱電偶在溫度為T、Tn時的熱電勢與在溫度為Tn、T0時的熱電勢的代數(shù)和。Tn稱中間溫度。

　　應(yīng)用:由于熱電偶E-T之間通常呈非線性關(guān)系,當(dāng)冷端溫度不為0攝氏度時，不能利用已知回路實(shí)際熱電勢E(t,t0)直接查表求取熱端溫度值;也不能利用已知回路實(shí)際熱電勢E(t,t0)直接查表求取的溫度值，再加上冷端溫度確定熱端被測溫度值，需按中間溫度定律進(jìn)行修正。

　　五、K型熱電偶的架構(gòu)原理

　　結(jié)構(gòu)原理熱電阻按其結(jié)構(gòu)原理不同分為兩大類：裝配式、鎧裝式。裝配式熱電阻由感溫元件焊接低電阻引線套陶瓷絕緣(或含絕緣層的銅芯線)與保護(hù)管組裝而成。其特點(diǎn)：生產(chǎn)工藝較簡單、反應(yīng)慢、機(jī)械強(qiáng)度低，而鎧裝式熱電阻是將感溫元件裝入經(jīng)壓制密實(shí)的氧化鎂粉絕緣、有內(nèi)引線的金屬套管內(nèi)，焊接感溫元件與內(nèi)引線后，再將裝有感溫元件的金屬套管端頭填充、焊封成堅實(shí)整體的熱電阻。熱電阻的引線有兩線制、三線制、四線制三種，兩線制配線簡單、設(shè)計費(fèi)用低，但會增加引線電阻的附加誤差，很少用。三線制可以消除內(nèi)引線電阻的影響，大部份采用這種方式。四線制一般用于高精度測量，此種引線方式不僅可消除內(nèi)引線電阻，而且消除連接導(dǎo)線電阻的影響。

　　熱電偶將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來，構(gòu)成一個閉合回路，K型熱電偶性能穩(wěn)定，產(chǎn)生的熱電勢大，熱電特性線性好，復(fù)現(xiàn)性好，高溫下抗氧化能力強(qiáng)，耐輻射，使用范圍寬，應(yīng)用廣泛。