上海自動(dòng)化儀表三廠的測(cè)溫?zé)犭娕嫉墓ぷ髟砑捌湓诂F(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用

溫度測(cè)量在冶金生產(chǎn)中有著重要的意義，而鋼鐵企業(yè)中溫度的測(cè)量大部分都采用的是熱電偶測(cè)溫。

本文的主要目的是講解熱電偶是怎么測(cè)量溫的原理以及熱電偶在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。 

 1 溫度測(cè)量的基本知識(shí)溫度與人們的生活有著息息相關(guān)，例如家用電冰箱、 電飯煲、微波爐和空調(diào)，都是通過(guò)溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。

工業(yè)生產(chǎn)中溫度測(cè)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(tǒng)中，爐頂溫度的控制及測(cè)量；煉鋼 熱軋加熱爐中爐膛溫度的測(cè)量就是通過(guò)熱電偶來(lái)進(jìn)行測(cè) 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(biāo)：溫度數(shù)值的表示方法稱為溫標(biāo)。溫標(biāo)可以分為 四種：攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)和國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)。它們各有各有的定義，并且相互之間有轉(zhuǎn)換公式。

 ③溫度測(cè)量方法。 根據(jù)被測(cè)量對(duì)象與測(cè)溫元件之間是否接觸與否，如果 接觸就是接觸測(cè)量，如用熱電偶和熱電阻測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的溫度 就是接觸測(cè)量。如果不相接觸就是非接觸測(cè)量，如紅外線 測(cè)溫儀和高溫輻射計(jì)測(cè)量溫度。

 2 熱電偶的工作原理 

 2.1 熱電效應(yīng)1821 年，物理學(xué)家塞貝克做了一個(gè)嘗試性的實(shí)驗(yàn)，從 中總結(jié)得出的熱電效應(yīng)。

具體操作步驟是：將兩種密度有差異的導(dǎo)體鉸接在一起，構(gòu)建成閉合回路。先用一只酒精 燈去燒結(jié)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)隨著用酒精燈燒的結(jié)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(zhuǎn)；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(jié)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)隨著酒精燈燒的另一結(jié)點(diǎn)的顏色和前一個(gè)結(jié) 點(diǎn)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(zhuǎn)角也隨著逐漸減小，當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的顏色一樣時(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(dǎo)體就是組成熱電偶的兩個(gè)電極，兩個(gè)結(jié)點(diǎn)就 分別是熱電偶的冷端和熱端。 

 2.2 熱電偶熱電勢(shì)的組成2.2.1 兩導(dǎo)體的接觸電勢(shì)兩導(dǎo)體的密度不一樣時(shí)，這兩種導(dǎo)體之間就會(huì)互相擴(kuò) 散自由電子，當(dāng)然，密度大的向密度小的擴(kuò)散的自由電子比密度小的向密度大的擴(kuò)散的自由電子數(shù)多。

所以，最后 相當(dāng)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(fù)電。因此就在兩種導(dǎo)體接觸點(diǎn)的位置上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，因?yàn)檫@個(gè)電勢(shì)在兩導(dǎo)體的接觸點(diǎn)處，把它叫 做兩導(dǎo)體的接觸電勢(shì)。

記為 EA（B T）。E 為電動(dòng)勢(shì)，A，B 為熱 電偶的兩個(gè)電極，T 為結(jié)點(diǎn)處的溫度。A 為高電位，B 為低 電位。

如果導(dǎo)體的密度存在一定的差異時(shí)，就會(huì)在兩導(dǎo)體相接觸的地方形成兩導(dǎo)體的接觸電勢(shì)。兩導(dǎo)體的接觸電勢(shì) 的數(shù)值與兩導(dǎo)體接觸點(diǎn)處的溫度高低有關(guān)，溫度越高兩導(dǎo) 體的接觸電勢(shì)就越大，規(guī)定低電位指向高電位的方向是接 觸電動(dòng)勢(shì)的方向。由于測(cè)溫?zé)犭娕嫉幕芈分杏袃蓚€(gè)相接觸 的點(diǎn)就會(huì)在兩個(gè)接觸點(diǎn)處形成電勢(shì)，所以測(cè)溫?zé)犭娕嫉幕?路中存在兩個(gè)接觸電勢(shì)。

 2.2.2 單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)當(dāng)導(dǎo)體兩端的溫度不同時(shí)，假設(shè) T 大于 T0。單一導(dǎo)體 熱度高的與熱度低的之間就會(huì)存在互相擴(kuò)散電子的現(xiàn)象。當(dāng)然，溫度高的擴(kuò)散的多，溫度低的擴(kuò)散的少。最終導(dǎo)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(fù)電。這 樣就在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生了溫差電勢(shì)。

當(dāng)導(dǎo)體的兩個(gè)端部存 有熱度差值的時(shí)候，就會(huì)在單一導(dǎo)體的兩頭形成溫差電動(dòng) 勢(shì)。單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)的大小和該導(dǎo)體的密度之間有一 定的關(guān)系，單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)的方向：規(guī)定是從低溫端指向高溫端。由于測(cè)溫?zé)犭娕奸]合回路中含有兩種不一樣 的導(dǎo)體，所以測(cè)溫?zé)犭娕蓟芈分芯痛嬖趦蓚€(gè)溫差電勢(shì)。2.2.3 閉合回路中總電勢(shì)熱電偶回路中共有四個(gè)電勢(shì)分別是 EA（B T），EA（B T0）， EA（T，T0）和 EB（T，T0）。依據(jù)電路分析課程中學(xué)過(guò)的基本知識(shí)， 可以很容易的寫(xiě)出熱電偶回路中總電勢(shì)。EAB（T，T0）為熱電 偶回路中的總電勢(shì)。

從上面所闡述的內(nèi)容可以得出，測(cè)溫?zé)犭娕夹纬蔁犭?勢(shì)要滿足的條件：①兩電極的材質(zhì)不同也就是說(shuō)兩種導(dǎo)體 的密度必須有差異。②兩結(jié)點(diǎn)的溫度不同即結(jié)點(diǎn)溫度 T 和 結(jié)點(diǎn)溫度 T0 不相等。③必須形成閉合回路。3 熱電偶的應(yīng)用3.1 測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的溫度測(cè)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(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中。此時(shí)測(cè)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(bǔ)償。3.2 溫度補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題當(dāng)然溫度補(bǔ)償就需要用補(bǔ)償導(dǎo)線來(lái)實(shí)現(xiàn)。那么，補(bǔ)償 導(dǎo)線的接線就需要特別注意。因?yàn)檠a(bǔ)償導(dǎo)線有兩個(gè)極分別是“+"極和“-"極，熱電偶的熱電極和補(bǔ)償導(dǎo)線有同樣的 極，因此熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶在進(jìn)行導(dǎo)線連接時(shí)一定要特別留意它們的極別，千萬(wàn)不可以接錯(cuò)。如果在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法區(qū)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(fù)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，觀察顯示數(shù) 值的極性，如果顯示的數(shù)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(shù)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(fù) 極。熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線正、負(fù)怎么區(qū)分，一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)區(qū) 分的，一般是較硬的為正。3.3 補(bǔ)償導(dǎo)線的選擇問(wèn)題補(bǔ)償導(dǎo)線的類別有 C 和 X 兩種，C———補(bǔ)償型，X———延伸型。如果采用的補(bǔ)償導(dǎo)線是補(bǔ)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(shuō)明補(bǔ)償導(dǎo)線選擇的不正確，最終得出的測(cè)量結(jié)果并不是現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際溫 度。例如：用 S 熱電偶測(cè)量溫度，并沒(méi)有選用 S 補(bǔ)償導(dǎo)線，而是采用了 K 型補(bǔ)償導(dǎo)線，這就相當(dāng)于把K型熱電偶的熱電 動(dòng)勢(shì)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(dǎo)致測(cè)量的結(jié)果比現(xiàn)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(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際來(lái)選擇，測(cè)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 道的中心線處，這樣測(cè)出的結(jié)果和現(xiàn)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(cè)量的 準(zhǔn)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(cè)量溫度時(shí)，要想得到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際溫度， 是需要經(jīng)過(guò)計(jì)算的，在計(jì)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(shì)曲線圖，只有把冷端的補(bǔ)償電勢(shì)加進(jìn)去才可以 查表得出現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際溫度。3.6 熱電偶型號(hào)選擇的問(wèn)題檢測(cè)溫度的元器件有金屬測(cè)溫?zé)犭娮韬蜔犭娕迹鶕?jù) 金屬電阻和電偶的組成材料來(lái)看，測(cè)溫電阻檢測(cè)的范圍比較小。而現(xiàn)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(cè)量溫度已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)溫要求。而熱電偶測(cè)溫范圍可以達(dá)到一千多度，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的很多測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。 為了得到更精確的結(jié)果，正確選擇熱電偶的型號(hào)，就顯得非常重要。如果測(cè)量的溫度在 1600℃左右，就要選擇 B 型熱電 偶；如果測(cè)量的溫度在 1400℃左右，就要選擇 S 型熱電偶；如果測(cè)量的溫度在 1200℃左右，就要選擇 K 型熱電偶。4 總結(jié)熱電偶測(cè)溫在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用很廣泛。熱電偶在使用的過(guò)程中，要看具體的現(xiàn)場(chǎng)條件再?zèng)Q定熱電偶的安裝方 式，并且安裝方式和方向要嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。否則 就會(huì)在測(cè)量時(shí)產(chǎn)生誤差或者會(huì)發(fā)生故障而影響生產(chǎn)。