熱電偶溫度計在水電工程中的應用

一、熱電偶的基本原理

熱電偶溫度計屬于接觸式溫度測量儀表。是根據熱電效應即塞貝克效應原理來測量溫度的，是溫度測量儀表中常用的測溫元件。將不同材料的導體A、B接成閉合回路，接觸測溫點的一端稱為測量端（或工作端），另一端稱為參比端（或自由端）。若測量端和參比端所處溫度t和t0不同，則在回路的A、B之間*產生一熱電勢EAB（t，t0），這種現象稱為塞貝克效應，即熱電效應。EAB大小隨導體A、B的材料和兩端溫度t和t0而變，這種回路稱為原型熱電偶。在實際應用中，將A、B的一端焊接在一起作為熱電偶的測量端放到被測溫度t處，而將參比端分開，用導線接入顯示儀表，并保持參比端接點溫度t0穩定。顯示儀表所測電勢只隨被測溫度而t變化。

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，測得熱電勢后，即可知道被測介質的溫度。

根據熱電勢與溫度函數關系。可制成熱電偶分度表。分度表是在自由端溫度To=0℃的條件下得到的。不同的熱電偶具有不同的分度表。

從理論上講，任何兩種導體都可以配制成熱電偶，但實際上并不是所有材料都能制作熱電偶，故對熱電極材料必須滿足以下幾點：

（1）熱電偶材料受溫度作用后能產生較高的熱電勢，熱電勢和溫度之間的關系*好呈線性或近似線性的單值函數關系；

（2）能測量較高的溫度，并在較寬的溫度范國內應用，經長期使用后，物理、化學性能及熱電特性保持穩定；

（3）要求材料的電阻溫度系數要小，電阻率高，導電性能好，熱容量要小；復現性要好，便于大批生產和互換，便于制定統一的分度表；

（4）機械性能好，材質均勻；

（5）資源豐富，價格便宜。

為了保證熱電偶可靠和穩定地工作對熱電偶有如下要求：

（1）組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固；

（2）兩個熱電極彼此之間應很好地絕緣，以防短路；

（3）補償導線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；

（4）保護套管應能保證熱電極與有害介質充分隔離。

熱電偶溫度計的特點有：

（1）測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質的影響。

（2）測量范圍廣。常用的熱電偶從-50～+1600℃均可連續測量，某些特殊熱電偶*低可測到-269℃（如金鐵鎳鉻），*高可達+2800℃（如鎢-錸）。

（3）構造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。熱電偶是一種感溫元件，它能將溫度信號轉換成熱電勢信號，通過與電氣測量儀表的配合，*能測量出被測的溫度。

二、熱電歐溫度計的選擇

常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。標準熱電偶是指*標準規定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標準化熱電偶，按IEC國際標準生產。熱電偶的分度號有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等幾種。其中S、R、B屬于貴金屬熱電偶，N、K、E、J、T屬于廉金屬熱電偶。

S分度號的特點是抗氧化性能強，宜在氧化性、惰性氣氛中連續使用，長期使用溫度1400℃，短期1600℃。在所有熱電偶中，S分度號的*度等級*高，通常用作標準熱電偶；

R分度號與S分度號相比除熱電動勢大15%左右，其它性能幾乎完全相同；

B分度號在室溫下熱電動勢極小，故在測量時一般不用補償導線。它的長期使用溫度為1600℃，短期1800℃。可在氧化性或中性氣氛中使用，也可在真空條件下短期使用。

N分度號的特點是1300℃下高溫抗氧化能力強，熱電動勢的長期穩定性及短期熱循環的復現性好，耐核輻照及耐低溫性能也好，可以部分代替S分度號熱電偶；

K分度號的特點是抗氧化性能強，宜在氧化性、惰性氣氛中連續使用，長期使用溫度1000℃，短期1200℃。在所有熱電偶中使用*廣泛；

E分度號的特點是在常用熱電偶中，其熱電動勢*大，即靈敏度*高。宜在氧化性、惰性氣氛中連續使用，使用溫度0-800℃；

J分度號的特點是既可用于氧化性氣氛（使用溫度上限750℃），也可用于還原性氣氛（使用溫度上限950℃），并且耐H2及CO氣體腐蝕，多用于煉油及化工；

T分度號的特點是在所有廉金屬熱電偶中*度等級*高，通常用來測量300℃以下的溫度。

由于熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴金屬時），而測溫點到儀表的距離都很遠，為了節省熱電偶材料，降低成本，通常采用補償導線把熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度比較穩定的控制室內，連接到儀表端子上。必須指出，熱電偶補償導線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對測溫的影響，不起補償作用。因此，還需采用其他修正方法來補償冷端溫度t0≠0℃時對測溫的影響。

在使用熱電偶補償導線時必須注意型號相配，極性不能接錯，補償導線與熱電偶連接端的溫度不能超過100℃。冷端溫度補償器的型號應與熱電偶的型號相符，并在規定溫度范圍內使用；冷端溫度補償器與熱電偶連接時極性不能接錯；根據補償器的平衡點溫度調整儀表起始點，使指針批示在平衡點溫度；具有自動補償機構的顯示儀表不安裝補償器；補償器必須定期檢查和檢定。

熱電偶溫度計在工業生產中有著非常廣泛的應用，熱電偶的選擇首先應根據被測溫度的上限，正確地選擇熱電偶的熱電極及保護套管；根據被測對象的結構及安裝特點，選擇熱電偶的規格及尺寸。熱電偶按結構形式可分為普通工業型、鎧裝型及特殊型等。

常用的普通工業型熱電偶有：

1.鉑銠10一鉑熱電偶：屬于貴重金屬熱電偶，正極為鉑銠合金，負極為鉑，短期工作溫度為1600℃，長期工作溫度為1300℃，物理、化學穩定性好，一般用于準確度要求較高的高溫測量。但材料較貴，熱電勢較小，分度號為S。

2.鎳鉻一鎳硅熱電偶：它是非貴重金屬中性能*穩定的一種，應用很廣，正極為鎳鉻。短期工作溫度為1200℃，長期工作溫度為900℃。此種熱電偶的熱電勢比上一種大4到5倍，而且線性度更好，誤差一般在（6-8）℃。但其熱電極不易做得很均勻，較易氧化，穩定性差。分度號為K。

3.鎳鉻一康銅熱電偶：正極是鎳鉻，短期工作溫度為800℃，長期工作溫度為60℃。它是熱電勢*大的一種熱電偶，測量準確度較高，但極易氧化。分度號為E。

4.銅一康銅熱電偶：這是在低溫下應用得很普遍的熱電偶，測量溫度范圍（-200-+200）℃，穩定性好，低溫時靈敏度高并且價格低廉。分度號為T。

鎧裝熱電偶是由熱電極、絕緣材料和金屬套管三者組合加工而成，它可以做得很細很長，在使用中可以隨測量需要進行彎曲，其特點是：熱情性小、熱接點處的熱容量小、壽命較長、適應性強等，應用廣泛。

實際使用時特別要注意補償導線的使用。通常接在儀表和接線盒之間的補償導線，其熱電性質與所用熱電偶相同或相近，與熱電偶連接后不會產生大的附加熱電勢，不會影響熱電偶回路的總熱電勢。如果用普通導線來代替補償導線，*起不到補償作用，從而降低測溫的準確性。所以，使用單位在安裝儀表敷線時應注意：補償導線與熱電偶連接時，極性切勿接反，否則測溫誤差反而增大。

實際測量中，如果測量值偏離實際值太多，除熱電偶安裝位置不當外，還有可能是熱電偶偶絲被氧化、熱電偶測量端焊點出現砂眼等。

三、熱電偶溫度計的安裝

熱電偶和熱電阻溫度計屬于接觸式溫度計，由于其無法替代的優點成為工礦企業和科研院所常用的溫度測量儀表。正確的安裝熱電偶和熱電阻傳感器是保證其測量精度和使用壽命的重要因素。下面根據平時的使用情況以幾種常用的安裝方式作些介紹，希望能給大家的實際工作提供點參考。

首先熱電偶和熱電阻的安裝應盡可能保持垂直，以防止保護套管在高溫下產生變形，但在有流速的情況下，則必須迎著被測介質的流向插入，以保證測溫元件與流體的充分接觸以保證其測量精度。另外熱電偶和熱電阻應盡量安裝在有保護層的管道內，以防止熱量散失。其次當熱電偶和熱電阻傳感器安裝在負壓管道中時，必須保證測量處具有良好的密封性，以防止外界冷空氣進入，使讀數偏低。當熱電偶和熱電阻傳感器安裝在戶外時，熱電偶和熱電阻傳感器的接線盒面蓋應向上，入線口應向下，以避免雨水或灰塵進入接線盒，而損壞熱電偶和熱電阻接線盒內的接線影響其測量精度。應經常檢查熱電偶和熱電阻溫度計各處的接線情況，特別是熱電偶溫度計由于其補償導線的材料硬度較高，非常容易從接線柱脫離造成斷路故障，因此要接線良好不要過多碰動溫度計的接線并經常檢查，以獲得正確的測量溫度。

熱電偶安裝時應放置在盡可能靠近所要測的溫度控制點。為防止熱量沿熱電偶傳走或防止保護管影響被測溫度，熱電偶應浸入所測流體之中，深度至少為直徑的10倍。當測量固體溫度時，熱電偶應當頂著該材料或與該材料緊密接觸。為了使導熱誤差減至*小，應減小接點附近的溫度梯度。

當用熱電偶測量管道中的氣體溫度時，如果管壁溫度明顯地較高或較低，則熱電偶將對之輻射或吸收熱量，從而顯著改變被測溫度。這時，可以用一輻射屏蔽罩來使其溫度接近氣體溫度，采用所謂的屏罩式熱電偶。

選擇測溫點時應具有代表性，例如測量管道中流體溫度時，熱電偶的測量端應處于管道中流速*大處。一般來說，熱電偶的保護套管末端應越過流速中心線。