火与冰--温度测量

温度测量在工业中是非常重要的。在化工和环保领域大多采用温度传感器来控制。由于价格低而经常优先选择热电偶。

本文提出的问题是：它是怎样工作的？为什么模拟电压表显示为零？补偿电缆和冷端补偿箱具有哪个功能？热电偶可以直接连接一个标准数字万用表吗？能避免哪些错误？以下来回答这些问题。

历史回顾

世界上勒?夏特利埃第一个在1887年使用热电偶进行温度测量。它采用铂—铂铑(Pt—PtRh)合金制成，非常适于精确测量温度0到1300℃。

热电效应：物理解释

在每个金属中，当电子对于原子核结合力低时，电子在金属内可以自由运动。作为好的导体的金属平均提供一个电子来运送电荷。这就意味着运送电荷的电子数目与原子的平均数相同。对每种金属单位大小的原子密度不同，因此自由电子的浓度必然不同。在金属中对于热平衡，也就是说每个地方的温度是一样的，负电荷，电子均匀分布。如果温度不同，T1>T2,这时电子从热的地方向冷的地方扩散。这一行为与气体相似，因此可以用电子气体来表达。气体热胀冷缩。(图1)像气体一样，电子均匀填充得到的空间。

如果两种载荷浓度不同的金属相连时，例如银(高浓度)和铜(低浓度)，电子将从高浓度向低浓度扩散，直到均匀分布为止。(图2)。结果将产生扩散电压或接触电压，因为相对于其它金属，低电子数的金属将充电。

电子扩散可以用动能来解释。对于热平衡，两种电子气体之间没有压差，也不会产生由接触电压场引起的电动力。

原理上可以测量接触电压。然而，一连接电压表，在不同金属的接点上，就会产生额外的接触电压。这些可以用热电偶来补偿接触电压。稍后可以用电路版本1来证明。

这一规则包含：只要所有部件的温度相同，由热产生的闭合电路电压的代数和为零。温度不同，才会引起由热产生的电压。

热电偶温度范围：

热电偶允许测量实际相关的温度，范围从-270℃(金铁-镍铬)到+2800℃(钨铼3-钨铼25)由非金属材料制成的热电偶允许测量更高的温度。

德国惠美公司的HM8112-3台式万用表利用热电偶，铂传感器和热敏电阻器可以测量温度，如下图：

HM8112-3数字万用表测量DC,AC,频率和
温度(使用热电偶，铂传感器和热敏电阻器)

热电动势电压刻度：

热电动势电压刻度可以决定不同金属组合产生的接触电压。为了识别未知金属，通常热电偶前端采用铂金属，后端为被测金属。结合点温度100℃，冷端温度0℃，测量的热电动势电压决定被测金属类型。热电动势刻度给出的Kxp值就是那些组合金属的类型，它是用铂金以mV/100K来表示温度范围。实际上由于价格的原因很少采用铂金，组合金属A和B的电压Kab有以下关系：

Kab=Kap-Kbp

表1.在结合处0°C和100°C之间，热电动势刻度给出的温度差别

例子：

铁-康铜：Kkonst-Kfe=-3.47-1.87=5.34mV/100K.(根据DIN标准应当为5.5mV/100K)

热电压Vt=Kt(Tm-Tc)

这里Kt:金属热电动势常数
Tm:测量点温度
Tc:参考接合点温度

例子：

铜-康铜热电偶灵敏度0.05mV/K,热电压16mV,如果参考接合点温度为0℃，那么测量点的温度Tm为：

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

热电偶类型和区分方法

用识别符号来区分热电偶，例如“类型J”, “类型K”.表2列出根据标准DIN IEC 584的热电偶类型：

表2.热电偶类型

另外有旧标准DIN437/10/13/14,英国BS4937和法国NF C42-324标准。每种标准有不同的颜色；根据旧DIN43710标准K型热电偶为红/绿。英国标准为棕/兰，法国标准为黄/紫。利用颜色来识别热电偶，特别在替代有缺陷的热电偶时非常有用。当然只利用颜色来识别是不够的，实际上还要测量其磁性，如铁，镍(无铬)和镍硅石磁性的。这可以排除几种可能。

实际上如以上提及的很难准确选择热电偶的类型。当选择一个热电偶时，需要考虑很多参数(测量点温度，环境温度，湿度，电磁场等)。Condustrie 公司-MET AG(CH8260 Wetzikon,瑞士)专业设计和制造温度传感器。

补偿电缆

补偿电缆比热电偶(特别是铂和铼)便宜，它们具有灵活性和低阻性。当需要长距离测量时优先考虑补偿电缆。

图3 K型热电偶，连接器，补偿电缆

两种插头比较普遍(见图3)，绿色插头(阴)是R和S型热电偶标准插头，大多用在固定安装。手持式仪表用黄色插头(阴)，是K型热电偶。金属棒是一种热电偶，采用不锈钢金属密封。热电偶线采用氧化镁。弯曲和施压不会产生短路。这些金属棒主要用在工业，当测量点很难触及，可利用其弯曲特性，或遇到振动时可使用金属棒。金属棒必须连接特殊的压接端或者用补偿电缆连接。

标准电路，参考点和补偿箱

图4.热电偶温度测量电路

有两种标准电路。图4中参考点是点2和点3.对于绝对测量这是非常重要的。它必须保持在恒定已知温度(例如冰瓶).对于长期测量，冰瓶是不够的。它必须由叫做补偿箱的来代替。补偿箱保持参考接合点和参考点环境温度影响的补偿系数NTC.参考点大多是一个等温块，既是电绝缘体，又是好的热导体。

德国惠美公司的HM8112-3数字万用表用热电偶，铂传感器和热敏电阻器来测量温度。

第二种连接方法如图5.

图5.热电偶(参考接合点)

这种电路经常出现在文献中。这里参考点不是铜线，而是点2.对于绝对测量点2必须保持恒定已知温度或者必须校正。铜线点必须维持相同的温度以消除热电压。

热电偶优点：

● 经济实惠
● 长期稳定
● 小和低热电容
● 快速
● 有源传感器
● 大温度范围(0到2800℃)
● 坚固耐用

热电偶缺点：

● 由于热电偶由不相同的一对金属构成，必须当心闭合电路中不期望的热电偶。
● 产生的电压非常小，为了识别0.1度的分辨率，需要很低漂移的放大器。
● 根据介质类型，必须补偿总非线性。
● 信号非常低，例如7到75μV/度
● 参考点必须保持恒定已知温度或者输出必须校正。

实际中经常碰到的错误：

热电偶是两种不同金属焊接在一起。坏的焊接点将导致测量误差。急剧弯曲将断开接合点或短路。另一种错误是极性错误。

检测和维修故障：

如果测量接合点发热而电压表仍显示零，很可能电路中有断路。用欧姆表可以找到坏的焊接点。电阻值超过1K表明故障所在。电路中任何短路并不意味着输出为零。相反，一个新的热电偶在短路点将产生错误结果。这可以用加热测量点来验证：如果电压不变或不明显，极有可能某处存在短路。

如果热电偶极性连接错误，将不会引起例如-150度而是+150度！根据测量仪器类型不同，可显示任意值。测试方法相同：加热测量点，如果温度升高电压下降，表明极性错误。

所谓扩散错误是由周围环境粒子扩散到接合点引起的。大多是由施加于热电偶的强机械压力(例如弯曲和振动)或高温(>1000℃)造成的。这样的坏热电偶被称为中毒。当温度指示仍然正确时，这种错误很难检测。当测量值慢速漂移时出现扩散错误。替代中毒热电偶时最好也替代所有的补偿电缆，连接器等。

证明：闭合电路热电压总和为零：

进一步说明当电路由不同金属组成时，温度不同将产生热电压。

证明：

所有电压总和M：

-V1+V2+V3=0,因此: V1=V2+V3

V1(铁-康铜)：KFe-CuNi=KFe-KCuNi：

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

V2(铜-康铜)：KCu-CuNi=KCu-KCuNi：

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

V3(铁-铜)：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

计算证明电压表直接连接热电偶电压测量值为零，电路所有部件温度相同。只有测量和参考接合点温度不同，才能产生热电压。