測溫熱電偶的原理及現場(chǎng)應用

摘要:溫度測量在冶金生產(chǎn)中有著(zhù)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(chǎng)的應用。
1溫度測量的基本知識
       溫度與人們的生活有著(zhù)息息相關(guān)，例如家用電冰箱、電飯煲、微波爐和空調,都是通過(guò)溫度來(lái)實(shí)現控制的。工業(yè)生產(chǎn)中溫度測量及控制也是非常普遍的,例如煉鐵高爐熱風(fēng)爐自動(dòng)燃燒控制系統中,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(guò)熱電偶來(lái)進(jìn)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(lái)。
②溫標:溫度數值的表示方法稱(chēng)為溫標。溫標可以分為四種:攝氏溫標、華氏溫標、熱力學(xué)溫標和國際實(shí)用溫標.它們各有各有的定義,并且相互之間有轉換公式。如表1。

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(chǎng)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(xiàn)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(xué)家塞貝克做了一個(gè)嘗試性的實(shí)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(diǎn)，發(fā)現隨著(zhù)用酒精燈燒的結點(diǎn)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(shí)并沒(méi)有撤去第一只酒精燈,用另一只酒精燈去燒另外一個(gè)結點(diǎn),發(fā)現隨著(zhù)酒精燈燒的另-結點(diǎn)的顏色和前一個(gè)結點(diǎn)的顏色漸漸接近,觀(guān)察到閉合回路中的直流毫伏表的指針偏轉角也隨著(zhù)逐漸減小，當兩個(gè)結點(diǎn)的顏色-樣時(shí),直流毫伏表的指針指在零上。閉合回路就是所說(shuō)的熱電偶傳感器,兩個(gè)導體就是組成熱電偶的兩個(gè)電極,兩個(gè)結點(diǎn)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-樣時(shí)，這兩種導體之間就會(huì )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(diǎn)的位置上產(chǎn)生電動(dòng)勢,因為這個(gè)電勢在兩導體的接觸點(diǎn)處,把它叫做兩導體的接觸電勢.記為B.6T).E為電動(dòng)勢,A,B為熱電偶的兩個(gè)電極,T為結點(diǎn)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(shí),就會(huì )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(diǎn)處的溫度高低有關(guān),溫度越高兩導體的接觸電勢就越大，規定低電位指向高電位的方向是接觸電動(dòng)勢的方向。由于測溫熱電偶的回路中有兩個(gè)相接觸的點(diǎn)就會(huì )在兩個(gè)接觸點(diǎn)處形成電勢,所以測溫熱電偶的回路中存在兩個(gè)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(shí),假設T大于T。單一導體熱度高的與熱度低的之間就會(huì )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(chǎn)生了溫差電勢。當導體的兩個(gè)端部存有熱度差值的時(shí)候,就會(huì )在單一導體的兩頭形成溫差電動(dòng)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(guān)系,單一導體的溫差電勢的方向:規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(gè)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(gè)電勢分別是E_AB（T）,E_AB（T0）,E_A（T，T0）和E_B（T，T0）。依據電路分析課程中學(xué)過(guò)的基本知識，可以很容易的寫(xiě)出熱電偶回路中總電勢。E_AB（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(mǎn)足的條件:①兩電極的材質(zhì)不同也就是說(shuō)兩種導體的密度必須有差異。②兩結點(diǎn)的溫度不同即結點(diǎn)溫度T和結點(diǎn)溫度T。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(chǎng)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(chǎng)環(huán)境中。此時(shí)測溫，-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(wèn)題
       當然溫度補償就需要用補償導線(xiàn)來(lái)實(shí)現。那么,補償導線(xiàn)的接線(xiàn)就需要特別注意。因為補償導線(xiàn)有兩個(gè)極分別是+”極和一”極,熱電偶的熱電極和補償導線(xiàn)有同樣的極,因此熱電偶補償導線(xiàn)與熱電偶在進(jìn)行導線(xiàn)連接時(shí)一定要特別留意它們的極別,千萬(wàn)不可以接錯。如果在現場(chǎng)無(wú)法區分的時(shí)候，要會(huì )利用萬(wàn)用表來(lái)判別熱電偶的正極和負極。具體的操作方法是:把萬(wàn)用表的+”表筆放在電壓檔的插孔中，把萬(wàn)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(gè)熱電偶絲接觸,觀(guān)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(xiàn)正、負怎么區分，一般是根據經(jīng)驗來(lái)區分的，一般是較硬的為正。
3.3補償導線(xiàn)的選擇問(wèn)題
       補償導線(xiàn)的類(lèi)別有C和X兩種,C一補償型,X一延伸型。如果采用的補償導線(xiàn)是補償型的,C后面字母和熱電偶傳感器的類(lèi)型一致,如果不-致的話(huà)，就說(shuō)明補償導線(xiàn)選擇的不正確，最終得出的測量結果并不是現場(chǎng)的實(shí)際溫度。例如:用S熱電偶測量溫度，并沒(méi)有選用S補償導線(xiàn),而是采用了K型補償導線(xiàn),這就相當于把K型熱電偶的熱電動(dòng)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(chǎng)實(shí)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(chǎng)的實(shí)際來(lái)選擇，測量加熱爐爐膛溫度時(shí),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(chǎng)合就要選擇法蘭安裝。在安裝熱電偶時(shí)，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(xiàn)處,這樣測出的結果和現場(chǎng)的實(shí)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，就把蒸電偶安裝在與管道中心線(xiàn)呈斜向下45度角的方向上。
3.5熱電偶測量溫度時(shí)，要想得到現場(chǎng)的實(shí)際溫度,是需要經(jīng)過(guò)計算的,在計算時(shí)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(xiàn)圖，只有把冷端的補償電勢加進(jìn)去才可以查表得出現場(chǎng)的實(shí)際溫度。
3.6熱電偶型號選擇的問(wèn)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(lái)看,測溫電阻檢測的范圍比較小。而現場(chǎng)實(shí)際的溫度很多時(shí)候超過(guò)了1000℃,因此用熱電阻測量溫度已經(jīng)不能滿(mǎn)足現場(chǎng)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(chǎng)的很多測溫點(diǎn)進(jìn)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(chǎng)的應用很廣泛。熱電偶在使用的過(guò)程中，要看具體的現場(chǎng)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(jìn)行。否則就會(huì )在測量時(shí)產(chǎn)生誤差或者會(huì )發(fā)生故障而影響生產(chǎn)。