火與冰--溫度測量

溫度測量在工業(yè)中是非常重要的。在化工和環(huán)保領域大多采用溫度傳感器來控制。由于價格低而經(jīng)常優(yōu)先選擇熱電偶。

本文提出的問題是：它是怎樣工作的？為什么模擬電壓表顯示為零？補償電纜和冷端補償箱具有哪個功能？熱電偶可以直接連接一個標準數(shù)字萬用表嗎？能避免哪些錯誤？以下來回答這些問題。

歷史回顧

世界上勒?夏特利埃第一個在1887年使用熱電偶進行溫度測量。它采用鉑—鉑銠(Pt—PtRh)合金制成，非常適于精確測量溫度0到1300℃。

熱電效應：物理解釋

在每個金屬中，當電子對于原子核結合力低時，電子在金屬內(nèi)可以自由運動。作為好的導體的金屬平均提供一個電子來運送電荷。這就意味著運送電荷的電子數(shù)目與原子的平均數(shù)相同。對每種金屬單位大小的原子密度不同，因此自由電子的濃度必然不同。在金屬中對于熱平衡，也就是說每個地方的溫度是一樣的，負電荷，電子均勻分布。如果溫度不同，T1>T2,這時電子從熱的地方向冷的地方擴散。這一行為與氣體相似，因此可以用電子氣體來表達。氣體熱脹冷縮。(圖1)像氣體一樣，電子均勻填充得到的空間。

如果兩種載荷濃度不同的金屬相連時，例如銀(高濃度)和銅(低濃度)，電子將從高濃度向低濃度擴散，直到均勻分布為止。(圖2)。結果將產(chǎn)生擴散電壓或接觸電壓，因為相對于其它金屬，低電子數(shù)的金屬將充電。

電子擴散可以用動能來解釋。對于熱平衡，兩種電子氣體之間沒有壓差，也不會產(chǎn)生由接觸電壓場引起的電動力。

原理上可以測量接觸電壓。然而，一連接電壓表，在不同金屬的接點上，就會產(chǎn)生額外的接觸電壓。這些可以用熱電偶來補償接觸電壓。稍后可以用電路版本1來證明。

這一規(guī)則包含：只要所有部件的溫度相同，由熱產(chǎn)生的閉合電路電壓的代數(shù)和為零。溫度不同，才會引起由熱產(chǎn)生的電壓。

熱電偶溫度范圍：

熱電偶允許測量實際相關的溫度，范圍從-270℃(金鐵-鎳鉻)到+2800℃(鎢錸3-鎢錸25)由非金屬材料制成的熱電偶允許測量更高的溫度。

德國惠美公司的HM8112-3臺式萬用表利用熱電偶，鉑傳感器和熱敏電阻器可以測量溫度，如下圖：

HM8112-3數(shù)字萬用表測量DC,AC,頻率和
溫度(使用熱電偶，鉑傳感器和熱敏電阻器)

熱電動勢電壓刻度：

熱電動勢電壓刻度可以決定不同金屬組合產(chǎn)生的接觸電壓。為了識別未知金屬，通常熱電偶前端采用鉑金屬，后端為被測金屬。結合點溫度100℃，冷端溫度0℃，測量的熱電動勢電壓決定被測金屬類型。熱電動勢刻度給出的Kxp值就是那些組合金屬的類型，它是用鉑金以mV/100K來表示溫度范圍。實際上由于價格的原因很少采用鉑金，組合金屬A和B的電壓Kab有以下關系：

Kab=Kap-Kbp

表1.在結合處0°C和100°C之間，熱電動勢刻度給出的溫度差別

例子：

鐵-康銅：Kkonst-Kfe=-3.47-1.87=5.34mV/100K.(根據(jù)DIN標準應當為5.5mV/100K)

熱電壓Vt=Kt(Tm-Tc)

這里Kt:金屬熱電動勢常數(shù)
Tm:測量點溫度
Tc:參考接合點溫度

例子：

銅-康銅熱電偶靈敏度0.05mV/K,熱電壓16mV,如果參考接合點溫度為0℃，那么測量點的溫度Tm為：

Tm-Tc=Vt/Kt
Tm-Tc=16mV/0.05mV/K=320K
Tc=0℃
Tm=320℃

熱電偶類型和區(qū)分方法

用識別符號來區(qū)分熱電偶，例如“類型J”, “類型K”.表2列出根據(jù)標準DIN IEC 584的熱電偶類型：

表2.熱電偶類型

另外有舊標準DIN437/10/13/14,英國BS4937和法國NF C42-324標準。每種標準有不同的顏色；根據(jù)舊DIN43710標準K型熱電偶為紅/綠。英國標準為棕/蘭，法國標準為黃/紫。利用顏色來識別熱電偶，特別在替代有缺陷的熱電偶時非常有用。當然只利用顏色來識別是不夠的，實際上還要測量其磁性，如鐵，鎳(無鉻)和鎳硅石磁性的。這可以排除幾種可能。

實際上如以上提及的很難準確選擇熱電偶的類型。當選擇一個熱電偶時，需要考慮很多參數(shù)(測量點溫度，環(huán)境溫度，濕度，電磁場等)。Condustrie 公司-MET AG(CH8260 Wetzikon,瑞士)專業(yè)設計和制造溫度傳感器。

補償電纜

補償電纜比熱電偶(特別是鉑和錸)便宜，它們具有靈活性和低阻性。當需要長距離測量時優(yōu)先考慮補償電纜。

圖3 K型熱電偶，連接器，補償電纜

兩種插頭比較普遍(見圖3)，綠色插頭(陰)是R和S型熱電偶標準插頭，大多用在固定安裝。手持式儀表用黃色插頭(陰)，是K型熱電偶。金屬棒是一種熱電偶，采用不銹鋼金屬密封。熱電偶線采用氧化鎂。彎曲和施壓不會產(chǎn)生短路。這些金屬棒主要用在工業(yè)，當測量點很難觸及，可利用其彎曲特性，或遇到振動時可使用金屬棒。金屬棒必須連接特殊的壓接端或者用補償電纜連接。

標準電路，參考點和補償箱

圖4.熱電偶溫度測量電路

有兩種標準電路。圖4中參考點是點2和點3.對于絕對測量這是非常重要的。它必須保持在恒定已知溫度(例如冰瓶).對于長期測量，冰瓶是不夠的。它必須由叫做補償箱的來代替。補償箱保持參考接合點和參考點環(huán)境溫度影響的補償系數(shù)NTC.參考點大多是一個等溫塊，既是電絕緣體，又是好的熱導體。

德國惠美公司的HM8112-3數(shù)字萬用表用熱電偶，鉑傳感器和熱敏電阻器來測量溫度。

第二種連接方法如圖5.

圖5.熱電偶(參考接合點)

這種電路經(jīng)常出現(xiàn)在文獻中。這里參考點不是銅線，而是點2.對于絕對測量點2必須保持恒定已知溫度或者必須校正。銅線點必須維持相同的溫度以消除熱電壓。

熱電偶優(yōu)點：

● 經(jīng)濟實惠
● 長期穩(wěn)定
● 小和低熱電容
● 快速
● 有源傳感器
● 大溫度范圍(0到2800℃)
● 堅固耐用

熱電偶缺點：

● 由于熱電偶由不相同的一對金屬構成，必須當心閉合電路中不期望的熱電偶。
● 產(chǎn)生的電壓非常小，為了識別0.1度的分辨率，需要很低漂移的放大器。
● 根據(jù)介質(zhì)類型，必須補償總非線性。
● 信號非常低，例如7到75μV/度
● 參考點必須保持恒定已知溫度或者輸出必須校正。

實際中經(jīng)常碰到的錯誤：

熱電偶是兩種不同金屬焊接在一起。壞的焊接點將導致測量誤差。急劇彎曲將斷開接合點或短路。另一種錯誤是極性錯誤。

檢測和維修故障：

如果測量接合點發(fā)熱而電壓表仍顯示零，很可能電路中有斷路。用歐姆表可以找到壞的焊接點。電阻值超過1K表明故障所在。電路中任何短路并不意味著輸出為零。相反，一個新的熱電偶在短路點將產(chǎn)生錯誤結果。這可以用加熱測量點來驗證：如果電壓不變或不明顯，極有可能某處存在短路。

如果熱電偶極性連接錯誤，將不會引起例如-150度而是+150度！根據(jù)測量儀器類型不同，可顯示任意值。測試方法相同：加熱測量點，如果溫度升高電壓下降，表明極性錯誤。

所謂擴散錯誤是由周圍環(huán)境粒子擴散到接合點引起的。大多是由施加于熱電偶的強機械壓力(例如彎曲和振動)或高溫(>1000℃)造成的。這樣的壞熱電偶被稱為中毒。當溫度指示仍然正確時，這種錯誤很難檢測。當測量值慢速漂移時出現(xiàn)擴散錯誤。替代中毒熱電偶時最好也替代所有的補償電纜，連接器等。

證明：閉合電路熱電壓總和為零：

進一步說明當電路由不同金屬組成時，溫度不同將產(chǎn)生熱電壓。

證明：

所有電壓總和M：

-V1+V2+V3=0,因此: V1=V2+V3

V1(鐵-康銅)：KFe-CuNi=KFe-KCuNi：

1.87-(-3.47)=5.34mV/100K

V2(銅-康銅)：KCu-CuNi=KCu-KCuNi：

0.72-(-3.47)=4.19mV/100K

V3(鐵-銅)：KFe-Cu=KFe-KCu：

1.87-(0.72)=1.15mV/100K

因此V1=V2+V3：

5.34mV/100K=4.19mV/100K+1.15mV/100K

計算證明電壓表直接連接熱電偶電壓測量值為零，電路所有部件溫度相同。只有測量和參考接合點溫度不同，才能產(chǎn)生熱電壓。