热电偶温度测试技术原理及应用分析

 

0 引言

        温度是表征物体冷热程度的物理量。从微观上来说，分子运动越剧烈，温度越高，温度表示的是分子的平均动能 ；从宏观上来说，温度是建立在热平衡的基础上。当两个冷热不同的物体相互接触时，其热量会从较热的物体传送到较冷的物体上，以达到热量平衡，即温度相等。所以，温度只能通过物体随温度变化的某些其他物理特征来间接表述，不能直接测量。测温的方式可以分为接触式测量和非接触式测量。非接触式测量指的是测量过程中，传感器不与被测物体直接接触，而是利用物体的辐射能量随温度的变化情况来检测。接触式测量指的是传感器与被测量物体直接接触，感受到物体的温度变化。

 

        热电偶是一种接触式测量方法，热电偶测量温度的范围比较宽，能够满足大部分场合的温度范围需求。且接触式测量的精确度比较高，性能稳定，成本较低。热电偶输出的信号可以进行远距离传输，因此在测点需求比较多的情况下，可以实现集中监测和采集。热电偶的动态特性良好，能够满足快速变化的温度测量需求。

 

        热电偶在工业测量温度的领域中使用比较广泛，其与铂热电阻的使用量占到整个温度传感器总量的 60% 左右，热电偶一般都是与显示仪表等共同来使用的，经常使用的热电偶一般可以分为标准热电偶和非标准热电偶两大类，其中标准化热电偶，即按国家的标准规定了其热电势与其温度的关系、允许误差、并有标准分度表的热电偶，并且有与其可配套的显示仪表供选用 ；非标准化的热电偶在使用范围和数量级上均不及标准化的热电偶，通常也没有统一的分度表，主要用于某些特殊情形下的测量。热电偶是一种发展比较完善的热电传感器，它不仅是一种感温元件，还是一种仪表。热电偶把直接测得的温度信号转换成热电势信号，再通过电气仪表（二次仪表）转化成被测介质的温度。

 

1 热电偶测温原理

1.1 热电效应

        受热物体中的电子，会随温度梯度从高温区向低温区移动，进而产生电流或电荷堆积，这种现象称为热电效应。热电偶基于的原理就是热电效应。如图 1 所示，两种不同的导体或半导体分别为 A 和 B，组成一个闭合回路。当 A 与 B 相接的两个接点温度 T 和 T0 不同时，就会在回路中产生一个电势 E AB ，此闭合回路就是热电偶。热电偶的两个连接点中，其中一点置于温度场中用来测量温度，此为热端，另一端为参考端，称为冷端。冷端与测量仪表相连。如果热端和冷端存在温差，测量仪表就可以测量出热端被测介质的温度。热电势的大小是随着温度变化而变化的，其变化关系为 ：

        E AB (T,T0)=E AB (T,0)-E AB (T0,0) （1）

 

        其中，E AB (T,T0) 为热电势，E AB (T,0) 是温度为 T 时的接触电势，E AB (T0,0) 是温度为 T0 时的接触电势。当构成热电偶的材料均匀时，热电势的大小仅和材料的成分，以及冷端热端的温差有关。与热电偶电极的几何尺寸无关。测量中通常要求冷端温度恒定，此时热电势是被测温度 T 的单值函数。

 

1.2 传感器的冷端补偿

        在实际测量时，温度测量的目的是测得以 0℃为基准的热端的温度 t，而式（1）中的热电势 E AB (T,T0) 却反映的是热端和冷端的相对电势，因此，只有将冷端置于冰水混合物中，才能使冷端不受外界温度的影响始终保持为 0℃，此时 EAB对应于标准分度表的温度才是热端的实际温度。但实际测量过程中，因为冷端处在外界环境中，受环境温度影响很大，所以保持冷端温度恒定很困难，因此，使用热电偶测温的过程中需要冷端补偿。

        根据式（1）可得

E AB (T,0)=E AB (T,T0)+E AB (T0，0) (2)

        即只需要将测量得到的热电势 E AB (T,T0) 加上冷端修正热电势 E AB (T0，0) 即可得到热电偶测量端热电势 E AB (T,0)，通过查询标准温度表即可得到热端温度 T。或者冷端处于恒温环境，即 T0 已知的情况下，也可以方便地测得热端温度 T。冷端补偿就是通过不断的修正热电势 E AB (T0，0)，或者修正T0 值进而得到热端温度 T 的过程。

 

        一般情况下，修正 T0 值补偿只需要将冷端放于恒温环境中即可。而热电势 E AB (T0，0) 可以使用桥路补偿。如图 2所示，图中 R4 用铜丝绕制，R1、R2、R3 用锰铜丝绕制。当温度变化时，由于 R4 的阻值变化，使电桥输出一不平衡电压，用以补偿热电偶冷端温度变化引起的误差。一般桥路在温度为20℃时输出为零，偏离 20℃时就输出补偿电动势。电桥平衡点设在温度 20℃，因此在使用时还必须对显示仪表的指示值加以修正，修正到 0℃时的输出。

 

        电桥补偿法已有标准的冷端温度补偿器供应，对应用不同的热电偶，可以采用不同型号的冷端温度补偿器。这种方法主要用于热电偶配动圈的显示仪表中，在自动平衡式电子电位差计中对冷端温度补偿已在测量电桥中有考虑。

 

2 热电偶测量温度的误差

2.1 分度误差

        工业上常用的热电偶都用标准分度表分度，因此造成具体使用的热电偶与标准分度表之间的误差。即使对非标准化热电偶采用单独分度，由于被分度的热电偶热电特性的波动，分度时所采用的标准仪器及装置的误差亦会造成分度误差。

2.2 仪表误差

        热电偶测温必须和显示记录仪表配合使用。因此仪表的误差将引入测量结果中。

2.3 冷端处理误差

        上述的冷端处理方法中，若恒温法中有温度波动，自动补偿法中有补偿误差及延伸导线热电特性的不一致等都会造成误差。

2.4 接线误差

        与热电偶配用的如果是动圈式仪表，这时由于线圈内阻较低，因此接线电阻波动对输出有影响，为消除这一影响，可设法使热电偶电阻，接线电阻与仪表内阻之和为常数或选用高内阻的仪表。

2.5 漏电误差

        不少无机绝缘材料的绝缘电阻值随它本身温度的升高而减小。由于绝缘材料的绝缘不好，特别是在高温时，其绝缘性显著变差，因而可以分流热电动势的输出，另外也可能把被测对象所用之电源电压泄漏到热电偶回路中，这些都将造成漏电误差。为减少此误差，必须保证热电偶有良好的绝缘。