熱電偶:溫度測量儀表中常用的測溫元件-中文百科頻道

簡介

在工業生産過程中，溫度是需要測量和控制的重要參數之一。在溫度測量中，熱電偶的應用極為廣泛，它具有結構簡單、制造方便、測量範圍廣、精度高、慣性小和輸出信号便于遠傳等許多優點。另外，由于熱電偶是一種有源傳感器，測量時不需外加電源，使用十分方便，所以常被用作測量爐子、管道内的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。

工作原理

當有兩種不同的導體或半導體A和B組成一個回路，其兩端相互連接時，隻要兩結點處的溫度不同，一端溫度為T，稱為工作端或熱端，另一端溫度為T0，稱為自由端（也稱參考端）或冷端，回路中将産生一個電動勢，該電動勢的方向和大小與導體的材料及兩接點的溫度有關。這種現象稱為“熱電效應”，兩種導體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導體稱為“熱電極”，産生的電動勢則稱為“熱電動勢”。

熱電動勢由兩部分電動勢組成，一部分是兩種導體的接觸電動勢，另一部分是單一導體的溫差電動勢。

熱電偶回路中熱電動勢的大小，隻與組成熱電偶的導體材料和兩接點的溫度有關，而與熱電偶的形狀尺寸無關。當熱電偶兩電極材料固定後，熱電動勢便是兩接點溫度t和t0。的函數差。即這一關系式在實際測溫中得到了廣泛應用。因為冷端t0恒定，熱電偶産生的熱電動勢隻随熱端(測量端)溫度的變化而變化，即一定的熱電動勢對應着一定的溫度。我們隻要用測量熱電動勢的方法就可達到測溫的目的。

熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質導體組成閉合回路，當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢——熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(Seebeckeffect）。兩種不同成份的均質導體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據熱電動勢與溫度的函數關系，制成熱電偶分度表；分度表是自由端溫度在0℃時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。

在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時，隻要該材料兩個接點的溫度相同，熱電偶所産生的熱電勢将保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測溫時，可接入測量儀表，測得熱電動勢後，即可知道被測介質的溫度。

熱電偶測量溫度時要求其冷端（測量端為熱端，通過引線與測量電路連接的端稱為冷端）的溫度保持不變，其熱電勢大小才與測量溫度呈一定的比例關系。若測量時，冷端的（環境）溫度變化，将嚴重影響測量的準确性。在冷端采取一定措施補償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補償正常。與測量儀表連接用專用補償導線。

熱電偶冷端補償計算方法：

從毫伏到溫度：測量冷端溫度，換算為對應毫伏值，與熱電偶的毫伏值相加，換算出溫度；

從溫度到毫伏：測量出實際溫度與冷端溫度，分别換算為毫伏值，相減後得出毫伏值，即得溫度。

主要特點

1、裝配簡單，

更換方便；

2、壓簧式感溫元件，抗震性能好；

3、測量精度高；

4、測量範圍大（－200℃～1300℃，特殊情況下－270℃～2800℃）；

5、熱響應時間快；

6、機械強度高，耐壓性能好；

7、耐高溫可達2800度；

8、使用壽命長。

測量方法

熱響應時間比較複雜，不同的試驗條件會有不同的測量結果，這是因為它受熱電偶與周圍介質的換熱率影響，換熱率高，則熱響應時間就短。為了使熱電偶産品的熱響應時間具有可比性，國家标準規定：熱響應時間應在專用水流試驗裝置上進行。該裝置的水流速度應保持0。4±0。05m/s，初始溫度在5-45℃的範圍内，溫度階躍值為40-50℃。在試驗過程中，水的溫度變化應不大于溫度階躍值的±1%。被試熱電偶的置入深度為150mm或設計的置入深度（選其中較小值并在試驗報告中注明）。

由于該裝置比較複雜，目前隻有極少數單位有這套設備，故國家标準中規定允許生産廠與用戶協商，可采用其他試驗方法，但所給數據必須注明試驗條件。

由于B型熱電偶在室溫附近熱電勢很小，熱響應時間不容易測出，因此國家标準規定可采用同規格的S型熱電偶的熱電極組件替換其自身的熱電極組件，然後進行試驗。

試驗時應記錄熱電偶的輸出變化至相當于溫度階躍變化50%的時間T0。5，必要時可記錄變化10%的熱響應時間T0。1和變化90%的熱響應時間T0。9。所記錄的熱響應時間，應是同一試驗至少三次測試結果的平均值，每次測量結果對于平均值的偏離應在±10%以内。此外，形成溫度階躍變化所需的時間不應超過被測試熱電偶的T0。5的十分之一。記錄儀器或儀表的響應時間不應超過被試熱電偶的T0。5的十分之一。

主要分類

1、按固定裝置型式分類

熱電偶作為主要測溫手段，用途十分廣泛，因而對固定裝置和技術性能有多種要求，因此熱電偶的固定裝置分為六種：無固定裝置式、螺紋式、固定法蘭式、活動法蘭式、活動法蘭角尺形式、錐形保護管式六種。

2、按裝配及結構方式分類

根據熱電偶的性能結構方式可分為：可拆卸式熱電偶、隔爆式熱電偶、铠裝熱電偶和壓彈簧固定式熱電偶等特殊用途的熱電偶。

安裝要求

對熱電偶與熱電阻的安裝，應注意有利于測溫準确，安全可考及維修方便，而且不影響設備運行和生産操作。要滿足以上要求，在選擇對熱電偶和熱電阻的安裝部位和插入深度時要注意以下幾點：

1、為了使熱電偶和熱電阻的測量端與被測介質之間有充分的熱交換，應合理選擇測點位置，盡量避免在閥門，彎頭及管道和設備的死角附近裝設熱電偶或熱電阻。

2、帶有保護套管的熱電偶和熱電阻有傳熱和散熱損失，為了減少測量誤差，熱電偶和熱電阻應該有足夠的插入深度：

（1）對于測量管道中心流體溫度的熱電偶，一般都應将其測量端插入到管道中心處（垂直安裝或傾斜安裝）。如被測流體的管道直徑是200毫米，那熱電偶或熱電阻插入深度應選擇100毫米；

（2）對于高溫高壓和高速流體的溫度測量（如主蒸汽溫度），為了減小保護套對流體的阻力和防止保護套在流體作用下發生斷裂，可采取保護管淺插方式或采用熱套式熱電偶，淺插式的熱電偶保護套管，其插入主蒸汽管道的深度應不小于75mm；熱套式熱電偶的标準插入深度為100mm；

（3）假如需要測量是煙道内煙氣的溫度，盡管煙道直徑為4m，熱電偶或熱電阻插入深度1m即可；

（4）當測量原件插入深度超過1m時，應盡可能垂直安裝，或加裝支撐架和保護套管。

熱電偶影響檢測結果卻容易被忽視的問題

一、響應時間的影響接觸法測溫的基本原理是測溫元件要與被測對象達到熱平衡。因此，在測溫時需要保持一定時間，才能使兩者達到熱平衡。保持時間的長短，同測溫元件的熱響應時間有關。而熱響應時間主要取決于傳感器的結構及測量條件，差别極大。所以，在日常檢定過程中要根據不同類型的熱電偶選擇合适的升溫速率、熱平衡的時間。

二、絕緣電阻的影響耐磨熱電偶在高溫下，其絕緣電阻随溫度升高而急驟降低，因此将産生漏電流，該電流通過絕緣電阻已經下降的絕緣物流入儀表，使儀表指示不穩或産生測量誤差。因此，在熱電偶裝爐之前不要忽視對其絕緣電阻的測試，隻有當滿足檢定規程要求時，才能進行溫度允差檢定。

三、熱電偶的長度JJG351-1996《工作用廉金屬熱電偶》檢定規程中明确規定熱電偶長度不小于750mm，之所以對熱電偶長度作出規定，是因為考慮到熱電偶在離開測溫區後要有足夠寬的溫度梯度區。熱電偶的熱電動勢也就産生在這一區域，要有效地阻止熱電偶熱端(測量端)的熱量傳給冷端(接線端)，最基本的方法就是熱電偶的冷端要有足夠的距離遠離熱端。一般來說由于熱電偶長度不夠帶來的誤差是負的，修正值是正的。長度越短，帶來的誤差也越大，因此，在裝爐檢定之前需要确定熱電偶的長度。

四、熱電偶絲彎曲熱電偶絲細而軟，極易變形，當偶絲發生折疊、扭曲等塑性變形使熱電極的偶絲産生應力時，就改變了熱電偶的熱電特性，從而使變形熱電偶測量結果的準确性受到影響。因此，檢定前一定要把熱電偶絲拉直。

故障處理

熱電偶輸入産生故障判别法：

按照儀表接線圖進行正确接線通電後，儀表先是顯示儀表的熱電偶分度号，接着顯示儀表量程範圍，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，說明儀表輸入部位産生故障，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，說明熱電偶内部連線開路，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号儀表上接入的熱電偶，通電後，原故障儀表上排數碼管顯示發熱體溫度時，說明熱電偶内部連線開路，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，要更換儀表。

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，說明熱電偶内部連接開路，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确，若儀表通電後，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。隻要重新調換一下即可。

5）接線正确儀表在運行時，儀表上排數碼管顯示的溫度與實際測量的溫度相差40度~70度。甚至相差更大，說明儀表的分度号與熱電偶的分度号搞錯。按熱電偶分度号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，産生的毫伏值（MV）B分度号最小，S分度号次小，K分度号較大，E分度号最大，按照此原理來判别。

溫度補償

工作中的現場判斷：

熱電偶有正負極、補償導線也有正負之分，首先保證連接，配置确。在運行中。常見的有短路,斷路,接觸不良(有萬用表可判斷)和變質(根據表面顔色來鑒别)。檢查時，要使熱電偶與二次表分開，用工具短接二次表上的補償線，表指示室溫再短接熱電偶接線端子，表批示熱電偶所在的環境溫度(不是，補償線有故障)，再用萬用表mv檔大體估量熱電偶的熱電勢(如正常，請檢查工藝）。

熱電阻短路和斷路用萬用表可判斷，在運行中，懷疑短路，隻要将電阻端拆下一個線頭看顯示儀表，如到最大，熱電阻短路回零，導線短路，保證正常連接和配置時，表值顯示低或不穩，保護管可能性進水了顯示最大，熱電阻斷路顯示最小短路。

耐磨熱電偶

耐磨熱電偶是電廠循環流化訂鍋爐,沸騰鍋爐,粉磨煤機造氣爐和水泥廠系列窯頭,窯尾,爐頭罩及化工,冶煉等高溫耐磨環境較為理想的高技術類專用産品,G系列博采衆長,采用獨特的工藝配方,在失态平衡中制作出耐磨合金該産品與普通不鏽鋼金屬,金屬陶瓷保護管,與市場上同類耐磨合金保護管相比,其使用壽命提高1-5倍。

由于環境溫度差,溫控點過高,振動較大,鼓風機風速過高,磨損嚴重,造成溫度測量非常困難,使用壽命很短暫,一般的耐磨合金隻有10-90天就磨透損壞,燒彎,折斷,造成熱電偶損壞,給用戶帶來很大的損失和不必要的麻煩,G系列彌補了這個缺點。G系列抗沖刷,耐磨熱電偶經過數百廠家,每年近萬次的使用,反應很好,在很多場合具有領先同行的實力,完全可以同進口産品相媲美。

該産品具有抗振,耐磨,耐腐蝕,靈敏度高,穩定性好,準确性高,使用壽命長等優點,是目前電廠,水泥廠,化工冶煉廠等高溫耐磨領域首選溫度測量保護管。

主要技術參數

電氣出口：M20×1。5，NPT1/2

耐磨頭硬度：HRC60-65

防護等級：IP65