熱電偶溫度測試原理及應用分析

摘要：文章論述了溫度測量原理，熱電偶測溫時的冷端處理方法，并分析了熱電偶測量溫度時的誤差來源，并提出了合理的減小誤差的方法，為溫度測量提供有效參考。
0引言
溫度是表征物體冷熱程度的物理量。從微觀上來說，分子運動越劇烈，溫度越高，溫度表示的是分子的平均動能；從宏觀上來說，溫度是建立在熱平衡的基礎上。當兩個冷熱不同的物體相互接觸時，其熱量會從較熱的物體傳送到較冷的物體上，以達到熱量平衡，即溫度相等。所以，溫度只能通過物體隨溫度變化的某些其他物理特征來間接表述，不能直接測量。測溫的方式可以分為接觸式測量和非接觸式測量。非接觸式測量指的是測量過程中，傳感器不與被測物體直接接觸，而是利用物體的輻射能量隨溫度的變化情況來檢測。接觸式測量指的是傳感器與被測量物體直接接觸，感受到物體的溫度變化。
　　熱電偶是一種接觸式測量方法，熱電偶測量溫度的范圍比較寬，能夠滿足大部分場合的溫度范圍需求。且接觸式測量的精度比較高，性能穩定，成本較低。熱電偶輸出的信號可以進行遠距離傳輸，因此在測點需求比較多的情況下，可以實現集中監測和采集。熱電偶的動態特性良好，能夠滿足快速變化的溫度測量需求。
熱電偶在工業測量溫度的領域中使用比較廣泛，其與鉑熱電阻的使用量占到整個溫度傳感器總量的60%左右，熱電偶一般都是與顯示儀表等共同來使用的，經常使用的熱電偶一般可以分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類，其中標準化熱電偶，即按國家的標準規定了其熱電勢與其溫度的關系、允許誤差、并有標準分度表的熱電偶，并且有與其可配套的顯示儀表供選用；非標準化的熱電偶在使用范圍和數量級上均不及標準化的熱電偶，通常也沒有統一的分度表，主要用于某些特殊情形下的測量。熱電偶是一種發展比較完善的熱電傳感器，它不僅是一種感溫元件，還是一種儀表。熱電偶把直接測得的溫度信號轉換成熱電勢信號，再通過電氣儀表（二次儀表）轉化成被測介質的溫度。
1熱電偶測溫原理
1.1熱電效應
　　受熱物體中的電子，會隨溫度梯度從高溫區向低溫區移動，進而產生電流或電荷堆積，這種現象稱為熱電效應。熱電偶基于的原理就是熱電效應。如圖1所示，兩種不同的導體或半導體分別為A和B，組成一個閉合回路。當A與B相接的兩個接點溫度T和T0不同時，就會在回路中產生一個電勢EAB，此閉合回路就是熱電偶。熱電偶的兩個連接點中，其中一點置于溫度場中用來測量溫度，此為熱端，另一端為參考端，稱為冷端。冷端與測量儀表相連。如果熱端和冷端存在溫差，測量儀表就可以測量出熱端被測介質的溫度。熱電勢的大小是隨著溫度變化而變化的，其變化關系為：
 
　　其中，EAB(T,T0)為熱電勢，EAB(T,0)是溫度為T時的接觸電勢，EAB(T0,0)是溫度為T0時的接觸電勢。
　　當構成熱電偶的材料均勻時，熱電勢的大小僅和材料的成分，以及冷端熱端的溫差有關。與熱電偶電極的幾何尺寸無關。測量中通常要求冷端溫度恒定，此時熱電勢是被測溫度T的單值函數。
1.2傳感器的冷端補償
　　在實際測量時，溫度測量的目的是測得以0℃為基準的熱端的溫度t，而式（1）中的熱電勢EAB(T,T0)卻反映的是熱端和冷端的相對電勢，因此，只有將冷端置于冰水混合物中，才能使冷端不受外界溫度的影響始終保持為0℃，此時EAB對應于標準分度表的溫度才是熱端的實際溫度。但實際測量過程中，因為冷端處在外界環境中，受環境溫度影響很大，所以保持冷端溫度恒定很困難，因此，使用熱電偶測溫的過程中需要冷端補償。
 
根據式（1）可得
 
　　即只需要將測量得到的熱電勢EAB(T,T0)加上冷端修正熱電勢EAB(T0，0)即可得到熱電偶測量端熱電勢EAB(T,0)，通過查詢標準溫度表即可得到熱端溫度T。或者冷端處于恒溫環境，即T0已知的情況下，也可以方便地測得熱端溫度T。冷端補償就是通過不斷的修正熱電勢EAB(T0，0)，或者修正T0值進而得到熱端溫度T的過程。
　　一般情況下，修正T0值補償只需要將冷端放于恒溫環境中即可。而熱電勢EAB(T0，0)可以使用橋路補償。如圖2所示，圖中R4用銅絲繞制，R1、R2、R3用錳銅絲繞制。當溫度變化時，由于R4的阻值變化，使電橋輸出一不平衡電壓，用以補償熱電偶冷端溫度變化引起的誤差。一般橋路在溫度為20℃時輸出為零，偏離20℃時就輸出補償電動勢。電橋平衡點設在溫度20℃，因此在使用時還必須對顯示儀表的指示值加以修正，修正到0℃時的輸出。電橋補償法已有標準的冷端溫度補償器供應，對應用不同的熱電偶，可以采用不同型號的冷端溫度補償器。這種方法主要用于熱電偶配動圈的顯示儀表中，在自動平衡式電子電位差計中對冷端溫度補償已在測量電橋中有考慮。
2熱電偶測量溫度的誤差
2.1分度誤差
　　工業上常用的熱電偶都用標準分度表分度，因此造成具體使用的熱電偶與標準分度表之間的誤差。即使對非標準化熱電偶采用單獨分度，由于被分度的熱電偶熱電特性的波動，分度時所采用的標準儀器及裝置的誤差亦會造成分度誤差。
 
2.2儀表誤差
　　熱電偶測溫必須和顯示記錄儀表配合使用。因此儀表的誤差將引入測量結果中。
2.3冷端處理誤差
　　上述的冷端處理方法中，若恒溫法中有溫度波動，自動補償法中有補償誤差及延伸導線熱電特性的不一致等都會造成誤差。
2.4接線誤差
　　與熱電偶配用的如果是動圈式儀表，這時由于線圈內阻較低，因此接線電阻波動對輸出有影響，為消除這一影響，可設法使熱電偶電阻，接線電阻與儀表內阻之和為常數或選用高內阻的儀表。
2.5漏電誤差
　　不少無機絕緣材料的絕緣電阻值隨它本身溫度的升高而減小。由于絕緣材料的絕緣不好，特別是在高溫時，其絕緣性顯著變差，因而可以分流熱電動勢的輸出，另外也可能把被測對象所用之電源電壓泄漏到熱電偶回路中，這些都將造成漏電誤差。為減少此誤差，必須保證熱電偶有良好的絕緣。