1、熱電偶(thermocouple)測量原理

熱電偶是測量溫度的一種儀器。利用兩種不同的導體或半導體連接成閉合回路,焊接端稱作熱端（或工作端），與導線連接的一端稱作冷端。如果兩端所處的溫度不同（熱端為 t，冷端為 t0，t > t0）則在該回路內產生熱電動勢E（簡稱熱電勢），此種現象稱為“熱電效應”（塞貝克效應）。熱電偶就是利用熱電效應的原理而制成的測量溫度的儀器。熱電偶測量溫度系統由熱電偶（感溫元件），毫伏測量儀表及連接導線（銅線及補償導線）所組成。在熱電偶材料已定時。其熱電勢E只是被測量溫度t的函數，用儀表測得E的數值后，即可知道被測溫度的大小。

2、熱電偶特點

測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質的影響。

測量范圍廣。常用的熱電偶從-50℃～+1600℃均可連續測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269℃(如金鐵鎳鉻)，最高可達+2800℃(如鎢-錸)。

構造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。

3、熱電偶的分度號

標準化熱電偶，按IEC國際標準生產。熱電偶的分度號有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等幾種。其中S、R、B屬于貴金屬熱電偶， N、K、E、J、T屬于廉金屬熱電偶。

S分度號的特點是抗氧化性能強，宜在氧化性、惰性氣氛中連續使用，長期使用溫度1400℃，短期1600℃。在所有熱電偶中，S分度號的精確度等級最高，通 常用作標準熱電偶；

R分度號與S分度號相比除熱電動勢大15%左右，其它性能幾乎完全相同。

B分度號在室溫下熱電動勢極小，故在測量時一般不用補償導線。它的長期使用溫度為1600℃，短期1800℃。可在氧化性或中性氣氛中使用，也可在真空條件下短期使用。

N分度號的特點是1300℃下高溫抗氧化能力強，熱電動勢的長期穩定性及短期熱循環的復現性好，耐核輻照及耐低溫性能也好，可以部分代替S分度號熱電偶；

K分度號的特點是抗氧化性能強，宜在氧化性、惰性氣氛中連續使用，長期使用溫度1000℃，短期1200℃。在所有熱電偶中使用最廣泛；

E分度號的特點是在常用熱電偶中，其熱電動勢最大，即靈敏度最高。宜在氧化性、惰性氣氛中連續使用，使用溫度0-800℃；

J分度號的特點是既可用于氧化性氣氛 (使用溫度上限750℃)，也可用于還原性氣氛 (使用溫度上限950℃)，并且耐H2及CO氣體腐蝕，多用于煉油及化工；

T分度號的特點是在所有廉金屬熱電偶中精確度等級最高，通常用來測量300℃以下的溫度。

4、熱電偶冷端的溫度補償

理論上，熱電偶是冷端以0℃為標準進行測量的。然而，通常測量時儀表是處于室溫之下的，但由于冷端不為0℃，造成了熱電勢差減小，使測量不準，出現誤差。因此為減少誤差所做的補償措施就是冷端溫度補償。

因此，常采用一些措施來消除冷端溫度變化所產生的影響，如冷端恒溫法、冷端溫度校正法、補償導線法、補償電橋法。

（1）冷端恒溫法

一般熱電偶定標時冷端溫度以0℃為標準。因此，常常將冷端置于冰水混合物中，使其溫度保持為恒定的0℃。在實驗室條件下，通常把冷端放在盛有絕緣油的試管中，然后再將其放入裝滿冰水混合物的保溫容器中，是冷端保持0℃。

（2）冷端溫度校正法

由于熱電偶的溫度分度表是在冷端溫度保持在0℃的情況下得到的，與它配套使用的測量電路或顯示儀表又是根據這一關系曲線進行刻度的，因此冷端溫度不等于0℃時，就需對儀表指示值加以修正。如冷端溫度高于0℃，但恒定于t0℃,則測得的熱電勢要小于該熱電偶的分度值，為求得真實溫度，可利用中間溫度法則，即用下式進行修正：

E（t,0）= E（t,t1）+ E（t1,0）

（3）補償導線法

由于熱電偶的材料一般都比較貴重 (特別是采用貴金屬時)，而測溫點到儀表的距離都很遠，為了節省熱電偶材料，降低成本，通常采用補償導線（compensating lead）把熱電偶的冷端 (自由端)延伸到溫度比較穩定的控制室內，連接到儀表端子上。這是一種專用導線，有正、負極性。選擇某一對導線，當其與某種熱電偶的熱電特性小于100℃的范圍里一致時，只要熱電偶冷端小于100℃，并將它與熱電偶冷端連結，則相當于將熱電偶延長，這樣便于熱電偶的冷端溫度處理，如果所移的冷端仍處于溫度較高或有波動的地方，則此時的補償導線就失去使用意義。

補償導線在使用中注意事項

補償導線的選擇

補償導線一定要根據所使用的熱電偶種類和所使用的場合進行正確選擇。例如,k型偶應該選擇k型偶的補償導線,根據使用場合,選擇工作溫度范圍。通常kx工作溫度為-20～100℃,寬范圍的為-25～200℃。普通級誤差為±2.5℃,精密級為±1.5℃。

接點連接

與熱電偶接線端2個接點盡可能近一點,盡量保持2個接點溫度一致。與儀表接線端連接處盡可能溫度一致,儀表柜有風扇的地方,接點處要保護不要使得風扇直吹到接點。

使用長度

因為熱電偶的信號很低,為微伏級,如果使用的距離過長,信號的衰減和環境中強電的干擾偶合,足可以使熱電偶的信號失真,造成測量和控制溫度不準確,在控制中嚴重時會產生溫度波動。

根據我們的經驗,通常使用熱電偶補償導線的長度控制在15米內比較好,如果超過15米,建議使用溫度變送器進行傳送信號。溫度變送器是將溫度對應的電勢值轉換成直流電流傳送,抗干擾強。

布線

補償導線布線一定要遠離動力線和干擾源。在避免不了穿越的地方,也盡可能采用交叉方式,不要平行。

屏蔽補償導線

為了提高熱電偶連接線的抗干擾性,可以采用屏蔽補償導線。對于現場干擾源較多的場合,效果較好。但是一定要將屏蔽層嚴格接地,否則屏蔽層不僅沒有起到屏蔽的作用,反而增強干擾。

（4）補償電橋法

補償電橋法是利用不平衡電橋產生的電勢來補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值。補償電橋現已標準化。不平衡電橋（即補償電橋）是由電阻R1、R2、R3和RCu組成。其中R1=R2=R3=1 ；Rs是用溫度系數很小的錳銅絲繞制而成的；RCu是有溫度系數較大的銅線繞制而成的補償電阻，0℃時，RCu=1；Rs的值可根據所選電偶的類型計算確定。此橋串聯在熱電偶測量回路中，熱電偶冷端與電阻RCu感受相同的溫度，在某一溫度下（通常取0℃）調整電橋平衡，使R1=R2=R3=RCu。當冷端溫度變化時，RCu隨溫度改變，破壞了電橋平衡，產生一不平衡電壓△U，此電壓則與熱電勢相疊加，一起送入測量儀表。適當選擇Rs的數值，可是電橋產生的不平衡電壓△U在一定溫度范圍內基本上能補償由于冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值。這樣，當冷端溫度有一定變化時，儀表仍然可給出正確的溫度示值。

（5）軟件處理法

對于計算機系統，不必全靠硬件進行熱電偶冷端處理。例如冷端溫度恒定但不為0℃的情況，只需在采樣后加一個與冷端溫度對應的常數即可。

對于T0經常波動的情況，可利用熱敏電阻或其它傳感器把T0信號輸入計算機，按照運算公式設計一些程序，便能自動修正。后一種情況必須考慮輸入的采樣通道中除了熱電動勢之外還應該有冷端溫度信號，如果多個熱電偶的冷端溫度不相同，還要分別采樣，若占用的通道數太多，宜利用補償導線把所有的冷端接到同一溫度處，只用一個冷端溫度傳感器和一個修正T0的輸入通道就可以了。冷端集中，對于提高多點巡檢的速度也很有利。

5、正確使用

正確使用熱電偶不但可以準確得到溫度的數值，保證產品合格，而且還可節省熱電偶的材料消耗，既節省資金又能保證產品質量。安裝不正確，熱導率和時間滯后等誤差，它們是熱電偶在使用中的主要誤差。

（1）安裝不當引入的誤差

如熱電偶安裝的位置及插入深度不能反映爐膛的真實溫度等，換句話說，熱電偶不應裝在太靠近門和加熱的地方，插入的深度至少應為保護管直徑的8～10倍；熱電偶的保護套管與壁間的間隔未填絕熱物質致使爐內熱溢出或冷空氣侵入，因此熱電偶保護管和爐壁孔之間的空隙應用耐火泥或石棉繩等絕熱物質堵塞以免冷熱空氣對流而影響測溫的準確性；熱電偶冷端太靠近爐體使溫度超過100℃；熱電偶的安裝應盡可能避開強磁場和強電場，所以不應把熱電偶和動力電纜線裝在同一根導管內以免引入干擾造成誤差；熱電偶不能安裝在被測介質很少流動的區域內，當用熱電偶測量管內氣體溫度時，必須使熱電偶逆著流速方向安裝，而且充分與氣體接觸。

（2）絕緣變差而引入的誤差

如熱電偶絕緣了，保護管和拉線板污垢或鹽渣過多致使熱電偶極間與爐壁間絕緣不良，在高溫下更為嚴重，這不僅會引起熱電勢的損耗而且還會引入干擾，由此引起的誤差有時可達上百度。

（3）熱惰性引入的誤差

由于熱電偶的熱惰性使儀表的指示值落后于被測溫度的變化，進行快速測量時這種影響尤為突出。所以應盡可能采用熱電極較細、保護管直徑較小的熱電偶。測溫環境許可時，甚至可將保護管取去。由于存在測量滯后，用熱電偶檢測出的溫度波動的振幅較爐溫波動的振幅小。測量滯后越大，熱電偶波動的振幅就越小，與實際爐溫的差別也就越大。當用時間常數大的熱電偶測溫或控溫時，儀表顯示的溫度雖然波動很小，但實際爐溫的波動可能很大。為了準確的測量溫度，應當選擇時間常數小的熱電偶。時間常數與傳熱系數成反比，與熱電偶熱端的直徑、材料的密度及比熱成正比，如要減小時間常數，除增加傳熱系數以外，最有效的辦法是盡量減小熱端的尺寸。使用中，通常采用導熱性能好的材料，管壁薄、內徑小的保護套管。在較精密的溫度測量中，使用無保護套管的裸絲熱電偶，但熱電偶容易損壞，應及時校正及更換。

（4）熱阻誤差

高溫時，如保護管上有一層煤灰，塵埃附在上面，則熱阻增加，阻礙熱的傳導，這時溫度示值比被測溫度的真值低。因此，應保持熱電偶保護管外部的清潔，以減小誤差。

6、故障處理

熱電偶輸入產生故障判別法：

按照儀表接線圖進行正確接線通電后，儀表先是顯示儀表的熱電偶分度號，接著顯示儀表量程范圍，再測儀表下排的數碼管顯示設定溫度，儀表上排數碼管顯示測量溫度。若儀表上排數碼管顯示不是發熱體的溫度，而顯示“OVER”、“0000”或“000”等狀況，說明儀表輸入部位產生故障，應作如下試驗：

① 把熱電偶從儀表熱電偶輸入端拆下，再用任何一根導線把儀表熱電偶輸入端短路。通電時，儀表上排數碼管顯示值約為室溫時，說明熱電偶內部連線開路，應更換同類型熱電偶。若還是以上所說的狀況，說明儀表在運輸過程中，儀表的輸入端被損壞，要調換儀表。

② 把上述故障儀表的熱電偶拆去，換用旁邊運行正常的同種分度號儀表上接入的熱電偶，通電后，原故障儀表上排數碼管顯示發熱體溫度時，說明熱電偶連線開路，更換同類型熱電偶。

③ 把有故障的熱電偶從儀表上拆下來，用萬用表放在測量歐姆（R）*1檔，用萬用表兩表棒去測熱電偶兩端，若萬用表上顯示的電阻值很大，說明熱電偶內部連接開路，更換同類型熱電偶。否則有一定阻值，說明儀表輸入端有問題，應更換儀表。

④ 按照儀表接線圖接線正確，若儀表通電后，儀表上排數碼管顯示有負值等現象，說明接入儀表的熱電偶“+”與“—”接錯而造成的。只要重新調換一下即可。

⑤ 接線正確儀表在運行時，儀表上排數碼管顯示的溫度與實際測量的溫度相差40℃~70℃。甚至相差更大，說明儀表的分度號與熱電偶的分度號搞錯。按熱電偶分度號B、S、K、E等熱電偶的溫度與毫伏（MV）值的對應關系來看，同樣溫度的情況下，產生的毫伏值（MV）B分度號最小，S分度號次小，K分度號較大，E分度號最大，按照此原理來判別。

常見故障分析及處理：