測溫熱電偶的工作原理及其在現場中的應用

溫度測量在冶金生產中有著重要的意義，而鋼鐵企業(yè)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。

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(yè)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(tǒng)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。

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(fā)現隨著用酒精燈燒的結點的顏色發(fā)生變 化，放在閉合回路中的直流毫伏表指針發(fā)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(fā)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 EA（B 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(guī)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(guī)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 EA（B T），EA（B 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(huán)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(qū)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(qū)分，一般是根據經驗來區(qū) 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(yè)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(fā)生故障而影響生產。