测温热电偶的工作原理及其在现场中的应用

摘要：温度测量在冶金生产中有着重要的意义，而钢铁企业中温度的测量大部分都采用的是热电偶测温。本文的主要目的是讲解热电偶是怎么测量温的原理以及热电偶在现场的应用。

关键词：温度测量;测量方法;热电偶测温

1  温度测量的基本知识

温度与人们的生活有着息息相关，例如家用电冰箱、电饭煲、微波炉和空调，都是通过温度来实现控制的。工业生产中温度测量及控制也是非常普遍的，例如炼铁高炉热风炉自动燃烧控制系统中，炉顶温度的控制及测量;炼钢热轧加热炉中炉膛温度的测量就是通过热电偶来进行测温的。那么，什么是温度呢？

①温度的定义：就是把物体是冷還是热具体的量化出来。

②温标：温度数值的表示方法称为温标。温标可以分为四种：摄氏温标、华氏温标、热力学温标和国际实用温标。它们各有各有的定义，并且相互之间有转换公式。如表1。

③温度测量方法。

根据被测量对象与测温元件之间是否接触与否，如果接触就是接触测量，如用热电偶和热电阻测量现场的温度就是接触测量。如果不相接触就是非接触测量，如红外线测温仪和高温辐射计测量温度。

2  热电偶的工作原理

2.1 热电效应

1821年，物理学家塞贝克做了一个尝试性的实验，从中总结得出的热电效应。具体操作步骤是：将两种密度有差异的导体铰接在一起，构建成闭合回路。先用一只酒精灯去烧结点，发现随着用酒精灯烧的结点的颜色发生变化，放在闭合回路中的直流毫伏表指针发生偏转;与此同时并没有撤去第一只酒精灯，用另一只酒精灯去烧另外一个结点，发现随着酒精灯烧的另一结点的颜色和前一个结点的颜色渐渐接近，观察到闭合回路中的直流毫伏表的指针偏转角也随着逐渐减小，当两个结点的颜色一样时，直流毫伏表的指针指在零上。闭合回路就是所说的热电偶传感器，两个导体就是组成热电偶的两个电极，两个结点就分别是热电偶的冷端和热端。

2.2 热电偶热电势的组成

2.2.1 两导体的接触电势

两导体的密度不一样时，这两种导体之间就会互相扩散自由电子，当然，密度大的向密度小的扩散的自由电子比密度小的向密度大的扩散的自由电子数多。所以，最后相当于密度大的失去电子，所以就带正电，密度小的得到电子，所以就带负电。因此就在两种导体接触点的位置上产生电动势，因为这个电势在两导体的接触点处，把它叫做两导体的接触电势。记为EAB（T）。E为电动势，A，B为热电偶的两个电极，T为结点处的温度。A为高电位，B为低电位。如果导体的密度存在一定的差异时，就会在两导体相接触的地方形成两导体的接触电势。两导体的接触电势的数值与两导体接触点处的温度高低有关，温度越高两导体的接触电势就越大，规定低电位指向高电位的方向是接触电动势的方向。由于测温热电偶的回路中有两个相接触的点就会在两个接触点处形成电势，所以测温热电偶的回路中存在两个接触电势。

2.2.2 单一导体的温差电势

当导体两端的温度不同时，假设T大于T0。单一导体热度高的与热度低的之间就会存在互相扩散电子的现象。当然，温度高的扩散的多，温度低的扩散的少。最终导致热度高的端逸失了一些电子，所以热度高的就带正电，热度低的端就得到了一些电子，所以热度低的端就带负电。这样就在导体的两端产生了温差电势。当导体的两个端部存有热度差值的时候，就会在单一导体的两头形成温差电动势。单一导体的温差电势的大小和该导体的密度之间有一定的关系，单一导体的温差电势的方向：规定是从低温端指向高温端。由于测温热电偶闭合回路中含有两种不一样的导体，所以测温热电偶回路中就存在两个温差电势。

2.2.3 闭合回路中总电势

热电偶回路中共有四个电势分别是EAB（T），EAB（T0），EA （T，T0）和EB （T，T0）。依据电路分析课程中学过的基本知识，可以很容易的写出热电偶回路中总电势。EAB （T，T0）为热电偶回路中的总电势。

从上面所阐述的内容可以得出，测温热电偶形成热电势要满足的条件：①两电极的材质不同也就是说两种导体的密度必须有差异。②两结点的温度不同即结点温度T和结点温度T0不相等。③必须形成闭合回路。

3  热电偶的应用

3.1 测量现场的温度

测量加热炉炉膛温度，要将热电偶插入到炉膛中，热电偶的热端处在加热炉的炉膛中，冷端在现场环境中。此时测温，一定要考虑到热电偶的冷端温度是否在零摄氏度，如果冷端不在零摄氏度要考虑冷端温度补偿。

3.2 温度补偿的问题

当然温度补偿就需要用补偿导线来实现。那么，补偿导线的接线就需要特别注意。因为补偿导线有两个极分别是“+”极和“-”极，热电偶的热电极和补偿导线有同样的极，因此热电偶的补偿导线与热电偶在进行导线连接时一定要特别留意它们的极别，千万不可以接错。如果在现场无法区分的时候，要会利用万用表来判别热电偶的正极和负极。具体的操作方法是：把万用表的“+”表笔放在电压档的插孔中，把万用表的“-”表笔放在公共端孔中，“+”表笔和“-”表笔分别热电偶的两个热电偶丝接触，观察显示数值的极性，如果显示的数字前面是“+”，就能很快的判断出接红表笔的电极就是热电偶的正极;如果显示的数字前是“-”，就能很快的判断出接红表笔的电极就是热电偶的负极。热电偶补偿导线正、负怎么区分，一般是根据经验来区分的，一般是较硬的为正。

3.3 补偿导线的选择问题

补偿导线的类别有C和X两种，C——补偿型，X——延伸型。如果采用的补偿导线是补偿型的，C后面字母和热电偶传感器的类型一致，如果不一致的话，就说明补偿导线选择的不正确，最终得出的测量结果并不是现场的实际温度。例如：用S热电偶测量温度，并没有选用S补偿导线，而是采用了K型补偿导线，这就相当于把K型热电偶的热电动势加在了S热电偶中。并且在0-100℃之间，K的毫伏值大于S的毫伏值，导致测量的结果比现场实际值高。

3.4 热电偶的安装方式选择

安装方式的选择要结合现场的实际来选择，测量加热炉炉膛温度时，只要将热电偶安装在炉膛的炉壁上用石棉绳把空隙塞上就可以了。如果是高压场合就要选择法兰安装。在安装热电偶时，要具体的看管道的分布情况，如果是把热电偶安装在水平管道上，热电偶就要垂直的安装在管道的中心线处，这样测出的结果和现场的实际值偏差特别小。如果是把热电偶安装在垂直管道上，为了保证测量的准确度，就把热电偶安装在与管道中心线呈斜向下45度角的方向上。

3.5 热电偶测量温度时，要想得到现场的实际温度，是需要经过计算的，在计算时要特别注意冷端温度

如果冷端的温度不是零摄氏度，就不能查热电偶温度-热电势曲线图，只有把冷端的补偿电势加进去才可以查表得出现场的实际温度。

3.6 热电偶型号选择的问题

检测温度的元器件有金属测温热电阻和热电偶，根据金属电阻和电偶的组成材料来看，测温电阻检测的范围比较小。而现场实际的温度很多时候超过了1000℃，因此用热电阻测量温度已经不能满足现场的测温要求。而热电偶测温范围可以达到一千多度，可以对现场的很多测温点进行测量。为了得到更精确的结果，正确选择热电偶的型号，就显得非常重要。如果测量的温度在1600℃左右，就要选择B型热电偶;如果测量的温度在1400℃左右，就要选择S型热电偶;如果测量的温度在1200℃左右，就要选择K型热电偶。

4  总结

热电偶测温在工业现场的应用很广泛。热电偶在使用的过程中，要看具体的现场条件再决定热电偶的安装方式，并且安装方式和方向要严格按照国家标准进行。否则就会在测量时产生误差或者会发生故障而影响生产。

参考文献：

[1]梁森.自动检测与转换技术[M].北京：机械工业出版社，2015，6.

[2]张华.热工测量仪表[M].北京：机械工业出版社，2008.

————————————

作者简介：潘俊花（1980-），女，甘肃武威人，甘肃钢铁职业技术学院副教授，工学学士，主要研究方向为测控技术与仪器仪表。