热电温度记录仪常以热电偶作为测温元件,它广泛用来测量-200℃-1300℃范围内的温度,特殊情况下,可测至2800℃的高温或4K的低温。它具有结构简单,价格便宜,准确度高,测温范围广等特点。由于热电偶将温度转化成电量进行检测,使温度的测量、控制、以及对温度信号的放大变换都很方便,适用于远距离测量和自动控制。在接触式测温法中,热电温度计的应用最普遍。

K型热电偶作为一种温度传感器,K型热电偶通常和显示仪表,记录仪表和电子调节器配套使用。K型热电偶可以直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。

K型热电偶通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成。它是目前用量最大的廉金属热电偶,其用量为其他热电偶的总和。K型热电偶丝直径一般为1.2~4.0mm。具有线性度好,热电动势较大,灵敏度高,稳定性和均匀性较好,抗氧化性能强,价格便宜等优点,能用于氧化性惰性气氛中广泛为用户所采用。K型热电偶不能直接在高温下用于硫,还原性或还原,氧化交替的气氛中和真空中,也不推荐用于弱氧化气氛。

1823年塞贝克(Seebeck)发现,在两种不同的金属所组成的闭合回路中,当两接触处的温度不同时,回路中就要产生热电势,称为塞贝克电势。

如图1所示,两种不同材料的导体A和B,一端温度为T0,另外一端温度为T(设T>T0),这时在这个回路中将产生一个与温度T、T0以及导体材料性质相关的电势EAB(T,T0),显然可以利用这个热电效应来测量温度。在测量技术中,把由两种不同材料构成的上述热电变换元件称为热电偶。A、B导体称为热电极,两个接点,一个为热端(T),又称为测量端;另一个为冷端(T0)又称为参比端。

热电偶的热电势EAB(T,T0)是由帕尔贴电势(接触电势)和汤姆逊电势(温差电势)合成的。接触电势是指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电势,此电势与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。而温差电势是由于两热电极两端温度不同产生的电势。

热电偶的热电势EAB(T,T0)大小与热电极直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关,只与热电极材料和两端温度有关。热电偶回路中插入其它导体或电路时,不会影响原来热电势的大小。

热电偶根据制造材料不同和测温范围不同,可分为K、E、J、T、B、R、S型,其中K型热电偶线性度较好。表1所示为K型热电偶的分度表。

从表1中可以观察到当冷端和热端温差为0℃时,冷端输出热电势为0mV,当温差为100℃时,输出热电势为4.096mV,当温差为200℃时,输出热电势为8.138mV,当温差为400℃时,输出热电势为16.397mV,输出的热电势与温差基本是线性关系的。根据热电偶的中间温度定理,当冷端和热端温度分别为T和0时,而T0是它们的中间温度,那么热电势EAB(T,0)可写成EAB(T,T0)加上EAB(T0,0),即:

EAB(T,0)=EAB(T,T0)+EAB(T0,0) (1)

通常冷端在实验室环境中,用T0表示实验室温度,设为20℃,那么(1)式可写成:

EAB(T,0)=EAB(T,20)+EAB(20,0) (2)

根据热电势与温差之间的线性关系,可写出:

即测量点的绝对温度等于测量点与冷端的温度差ΔT加上冷端的温度(实验室温度),通常可用温度计测量实验室温度。我们把以上提到的测温方法称为冷端温度修正法,主要应用在冷端所处温度基本不变的前提下,如实验室环境下。当冷端温度不稳定时,通常采用冷端温度自动补偿法,需要在电路中加入冷端补偿电路。

由于热电偶输出的热电势数值很小,可经过同相比例放大电路将输出电压放大,而且可让输出的电压值与温度差能够对应上,可设计出图2所示的电路。

K型热电偶两端温差为0℃时,即两端同时在实验室环境中时,产生的热电动势为0mV,温差为100℃时产生的热电动势为4.096mV。若调节RP使电路的放大倍数为244倍,则热电偶在0-100℃范围内的输出电压为0.00-1.00V,灵敏度为10mV/℃。这样,1.00V可读成100℃,那么0.80V对应就是80℃,0.12V对应就是12℃。需要说明的是,该电路测量的只是冷端与热端的温度差,温度差加上实验室的环境温度才是测量的实际温度。