熱電偶K型測溫的基本原理及基礎知識

　　一、熱電偶基礎知識

　　熱電偶是溫度測量中應用最普遍的測溫器件，它的特點是測溫范圍寬，性能穩定，有足夠的測量精度，能夠滿足工業過程溫度測量的需要。結構簡單，動態響應好;輸出為電信號，可以遠傳，便于集中檢測和自動控制。

　　熱電偶的測溫原理基于熱電效應。將兩種不同的導體或半導體連成閉合回路，當兩個接點處的溫度不同時，回路中將產生熱電勢，這種現象即是熱電效應，又稱賽北克效應。

　　熱電偶的要求：

　　(1) 在測溫范圍內熱電偶性能穩定，不隨時間和被測對象而變化;

　　(2) 在測溫范圍內物理化學性能穩定，不易氧化和腐蝕，耐輻射;

　　(3) 所組成的熱電偶要有足夠的靈敏度，熱電勢隨溫度的變化率要足夠大;

　　(4) 熱電特性接近單值線性或近似線性;

　　(5) 電導率高，電阻溫度系數小;

　　(6) 機械性能好，機械強度高，材質均勻;工藝性好，易加工，復制性好，制造工藝簡單，價格便宜。

　　熱電偶K型是一種感溫元件,直接測量溫度，并把溫度信號轉換成熱電動勢信號,通過電氣儀表轉換成被測介質的溫度。能測量較高溫度,性價比很高，是工業自動化控制中常用的一種熱電偶。直接測量溫度，并把溫度信號轉換成熱電動勢信號，通過電氣儀表(二次儀表)轉換成被測介質的溫度。各種熱電偶的外形常因需要而極不相同，但是它們的基本結構卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套保護管和接線盒等主要部分組成，通常和顯示儀表、記錄儀表及電子調節器配套使用。

　　二、熱電偶K型測溫的基本原理：

　　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。

　　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,只要該材料兩個接點的溫度相同,熱電偶所產生的熱電勢將保持不變，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,測得熱電動勢后,即可知道被測介質的溫度。

　　三、影響K型熱電偶測溫的兩種因素

　　當熱電偶的長度較長時，則大部分偶絲處于高溫區，如果熱電偶絲是均質的，那么依據均質回路定則，測量結果與長度無關。然而，熱電偶絲并非均質，尤其是廉金屬熱電偶絲其均質性較差，又處于具有溫度梯度的場合，那么其局部將產生熱電動勢，該電動勢稱為寄生電勢。由寄生電勢引起的誤差稱為不均質誤差。在現有的貴金屬、廉金屬熱電偶檢定規程中，對熱電偶的不均質尚未作出規定，只有在熱電偶絲材標準中，對熱電偶絲的不均勻性有一定要求。

　　K型熱電偶絲經使用后產生的不均質對于新制的熱電偶，即使是不均勻熱電動勢能滿足要求，但是，反復加工、彎曲致使熱電偶產生加工畸變，也將失去均質性，而且使用中熱 電偶長期處于高溫下也會因偶絲的劣化而引起熱電動勢變化，例如：插入工業爐中的熱電偶，將沿偶絲長度方向發生劣化，并隨溫度增高，劣化增強，當劣化的部分處于具有溫度梯度的場所，也將產生寄生電動勢疊加在總熱電動勢中而出現測量誤差。

　　四、K型熱電偶的三個基本定律

　　1，均質導體定律

　　由同一種均質材料(導體或半導體)兩端焊接組成閉合回路，無論導體截面如何以及溫度如何分布，將不產生接觸電勢，溫差電勢相抵消，回路中總電勢為零。

　　可見，熱電偶必須由兩種不同的均質導體或半導體構成。若熱電極材料不均勻，由于溫度梯存在，將會產生附加熱電勢。

　　2，中間導體定律

　　在熱電偶回路中接入中間導體(第三導體)，只要中間導體兩端溫度相同，中間導體的引入對熱電偶回路總電勢沒有影響，這是中間導體定律。

　　應用:依據中間導體定律，在熱電偶實際測溫應用中，常采用熱端焊接、冷端開路的形式，冷端經連接導線與顯示儀表連接構成測溫系統。

　　有人擔心用銅導線連接熱電偶冷端到儀表讀取mV值，在導線與熱電偶連接處產生的接觸電勢會使測量產生附加誤差。根據這個定律，是沒有這個誤差的!

　　3，中間溫度定律

　　熱電偶回路兩接點(溫度為T、T0)間的熱電勢，等于熱電偶在溫度為T、Tn時的熱電勢與在溫度為Tn、T0時的熱電勢的代數和。Tn稱中間溫度。

　　應用:由于熱電偶E-T之間通常呈非線性關系,當冷端溫度不為0攝氏度時，不能利用已知回路實際熱電勢E(t,t0)直接查表求取熱端溫度值;也不能利用已知回路實際熱電勢E(t,t0)直接查表求取的溫度值，再加上冷端溫度確定熱端被測溫度值，需按中間溫度定律進行修正。

　　五、K型熱電偶的架構原理

　　結構原理熱電阻按其結構原理不同分為兩大類：裝配式、鎧裝式。裝配式熱電阻由感溫元件焊接低電阻引線套陶瓷絕緣(或含絕緣層的銅芯線)與保護管組裝而成。其特點：生產工藝較簡單、反應慢、機械強度低，而鎧裝式熱電阻是將感溫元件裝入經壓制密實的氧化鎂粉絕緣、有內引線的金屬套管內，焊接感溫元件與內引線后，再將裝有感溫元件的金屬套管端頭填充、焊封成堅實整體的熱電阻。熱電阻的引線有兩線制、三線制、四線制三種，兩線制配線簡單、設計費用低，但會增加引線電阻的附加誤差，很少用。三線制可以消除內引線電阻的影響，大部份采用這種方式。四線制一般用于高精度測量，此種引線方式不僅可消除內引線電阻，而且消除連接導線電阻的影響。

　　熱電偶將兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來，構成一個閉合回路，K型熱電偶性能穩定，產生的熱電勢大，熱電特性線性好，復現性好，高溫下抗氧化能力強，耐輻射，使用范圍寬，應用廣泛。