热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表, 测温精确度高, 与显示仪表配合, 可广泛用来测量气体、蒸汽、液体等介质-200℃~16000℃范围内的温度, 特殊情况下可测-2700℃~28000℃, 动态响应快, 热惯性小, 机械强度高, 耐压性能好, 耐高温可达28000℃, 抗震性能好, 而且便于信号的远距离传送和实现多点切换测量, 能自动记录和集中控制, 性能稳定、测量精度高、准确可靠、使用寿命长、结构简单、制造容易、装配简单、更换方便和使用维护方便, 其测量范围广, 也可作为标准计量, 供量值传递之用, 所以在科学研究和工业生产中应用广泛, 作为测温仪表, 在建筑环境与设备工程中应用也非常广泛。

热电偶温度计由热电偶、电测仪表和连接导线组成, 其测温原理基于物理学中“热电效应”现象, 就是把任意两种不同的导体 (或半导体) 连接成闭合回路, 如果两个接点的温度不同, 在回路中就会产生热电势, 形成热电流, 这就是“热电效应”。热电偶温度计就是利用该原理, 把两种不同的金属材料一端焊接而成的, 焊接的一端叫测量端 (也叫热端或工作端) , 未焊接的一端叫参考端 (也叫冷端或自由端) , 如果参考端的温度恒定不变, 则热电势的大小和方向就只与这两种材料的特性和测量端的温度有关, 且热电势和温度之间有一个固定的函数关系, 利用这个关系, 只要测量出热电势的大小, 再配以测量毫伏级电势信号的仪表或变送器就实现了温度的测量或温度信号的变换。

在进行温度测量时, 将热电偶热端插入被测温的设备或管道中, 使其热端感受被测介质的温度, 其冷端置于恒定的温度之下, 并用连接导线连接电气测量仪表。

根据热电偶基本定律之一的中间导体定律, 在热电偶回路中接入第三种金属材料时, 只要该材料两个接点的温度相同, 热电偶所产生的热电势将保持不变, 即不受第三种金属接入回路中的影响。因此, 在热电偶测温时, 可接入测量仪表, 测得热电动势后, 即可知道被测介质的温度。

由热电偶测温原理可知, 热电势的大小与热电偶两端的温度有关。只有当热电偶冷端温度保持不变时, 热电势才是被测温度的单值函数。因此, 要准确地测量温度, 必须使其参考端温度恒定, 热电偶冷端最好应保持0℃, 一般固定在0℃, 而在现场条件下使用的仪表则难以实现, 因此必须对其参考端进行温度补偿修正, 以确保温度测量的准确性。

工业上常用的各种热电偶的温度———热电势关系曲线 (或数据) 是在冷端温度为0℃时得到的, 与它配套的仪表也是依据这一关系进行刻度的。但在实际应用中, 其冷端温度往往高于0℃, 且不稳定, 随环境温度变化而改变, 致使热电偶产生的热电势偏小并随之变化, 因而造成测量误差引入。因此, 当热电偶参考端温度不为0℃, 而是一个波动的温度时, 必须采用恰当的补偿方法准确修正, 一般工业上经常使用补偿校正的方法如下。

用补偿导线将热电偶的热电极延长到环境温度变化较稳定的地方, 然后按热电偶中间温度定律进行热电势的修正。

当热电偶与动圈仪表配套使用时, 如冷端温度比较恒定, 测量精确度要求不高时, 首先必须将仪表的电源及输入信号切断, 然后用螺钉旋具将动圈仪表的机械零点指针调至热电偶的冷端温度Tn, 这相当于在输入热电势之前就给仪表输入一个补偿热电势E (Tn, 0) , 这样, 仪表在使用时所指示的值为:E (T, 0℃) =E (T, Tn) +E (Tn, 0℃) 。即相当于把校正值直接加进去, 这样, 仪表的读数就是实际温度了。

冷端温度变化时需要重新调整仪表的机械零点, 这种方法用于对测量精确度要求不高的场合, 此法适宜冷端温度稳定的场合。

将热电偶的参考端置于电加热的恒温器中, 使其参考端恒定在某一温度值。该方法必须采用计算校正法予以修正。计算修正法适合于带计算机的测温系统。

电桥补偿法是在热电偶回路中串接一个参考端温度补偿器, 用来自动补偿因热电偶参考端温度变化对输出热电势的影响。

采用冷端温度补偿器的补偿法比其他修正方法方便, 其补偿精确度也能满足热工测量的要求, 它是目前广泛采用的热电偶温度补偿处理方法。

笔者就补偿导线法和计算校正法两者相结合的温度补偿方法展开分析讨论。所谓补偿导线是在一定的温度范围内 (一般为0~100℃) , 具有与所匹配热电偶热电动势相同标称值的一对带有绝缘层的导线, 用于连接热电偶和测量显示仪表装置, 以补偿它们与热电偶连接处的温度变化所产生的误差。

在使用热电偶测温时, 要求其参考端温度必须保持恒定。由于一般热电偶长度都比较短, 尤其是一些由贵重材料制成的热电偶, 这样, 热电偶的参考端距离被测对象很近, 使参考端温度较高且波动很大, 而且测点到控制室室内仪表的距离都很远, 为了节省热电偶的材料, 降低成本, 通常采用补偿导线把热电偶的冷端 (即自由端) 延长到温度比较稳定的控制室内, 连接到电测仪表的端子上, 这种方法可适用于价格便宜的热电偶。对贵重金属制成的热电偶则极不经济, 同时热电偶线也不易敷设, 因为热电偶参考端温度多处于常温 (0~100℃) 下, 补偿导线在此温度范围内具有与热电偶相同的温度———热电势关系, 可以起到延长热电偶的作用, 且价格便宜, 宜于敷设, 所以, 在使用热电偶测温时, 要连接补偿导线。

必须指出:热电偶补偿导线的作用, 只起延伸热电极, 使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上, 它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响, 不起补偿作用, 因此还需根据热电偶中间温度定律进行热电势的修正, 即用计算校正法来补偿冷端温度不为0℃时对测温的影响。必须注意:使用补偿导线法时, 就必须使用计算校正法, 对仪表的指示值加以修正, 热电偶冷端补偿计算校正方法如下。

从毫伏到温度:测量冷端温度, 换算为对应毫伏值, 与热电偶的毫伏值相加, 求出总热电动势, 反查热电偶分度表来求出被测温度值;前面所说的相加是热电势的相加, 而不是简单的温度相加。从温度到毫伏:测量出实际温度与冷端温度, 分别换算为毫伏值, 相减后得出毫伏值, 即得温度值。例如:用K分度 (镍铬—镍硅) 热电偶测温, 热电偶的冷端温度Tn=30℃, 测得冷端为30℃时的热电势E (T, Tn) =40.347mV, 由热电偶分度表查得热端30℃、冷端0℃时热电势E (Tn, 0℃) =1.203mV, 则:E (T, 0℃) =E (T, Tn) +E (Tn, 0℃) =40.347+1.203=41.55 (mV) , 同样由分度表查得热端 (测量端) 温度T=1010℃。

又例如:某标准S分度 (铂铑10—铂) 热电偶在900℃时的热电势为8.41mV, 当测得热电势为8.338mV, 冷端温度为0℃时, 此时热端 (测量端) 实际温度为多少?首先查分度表得S分度 (铂铑10—铂) 热电偶900℃时的热电势为8.448mV, 在900℃附近, 测量值与分度表的偏差是△E=8.41-8.448=-0.038mV, 测量值实际热电势E=8.338- (-0.038) =8.376 (mV) 。查分度表得到与8.376mV对应的温度值为893.5℃, 就是热端的实际温度值。

由此可见, 使用补偿导线与计算校正法, 需多次查对应热电偶的分度表并计算, 因此它只适用于实验室测温, 对于现场的直读式仪表测温, 用该方法补偿是很不方便的, 如果准确度要求不高时, 可用校正仪表的机器零点法或电桥补偿法或恒温器法。

如图2所示, 热电偶测温线路由热电偶组件、显示仪表及中间连接部分 (热电转换器、补偿导线、铜导线等) 组成。在连接时, 除了同种导线的接点外, 还必须注意热电偶冷端和补偿导线接点的两个端子应分别保持在同一温度下, 否则将引起测温误差。

如图3所示, 用同型号的多只热电偶进行多点温度测量时, 共用一台显示仪表和一只实现冷端温度补偿的补偿热电偶。为了节省补偿导线, 这组同型号的热电偶经过比较短的补偿导线分别引到感受环境温度、但本身温度分布又比较均匀的接线板上, 再用导线依次接到切换开关上, 由切换开关最后接到显示仪表上去。用补偿导线做成的补偿热电偶反向串接在仪表回路中, 补偿热电偶的冷端在接线板上, 热端维持恒温T0, 这样, 不论切换开关把哪一个热电偶接到显示仪表上, 只要保证热电偶相同, 都可得到上述结果。多点测量电路常用于自动巡回检测中, 测量点可多达几十个。