高温测量元件热电偶及其补偿电路的设计

    0　引　言

    温度是工业生产中重要的物理量,产品的产量、质量、能耗等都直接与温度有关,因此,准确地测量温度具有十分重要的现实意义。测温的方法很多,例如,利用水银温度计、有机液体温度计、双金属温度计、液体压力温度计、铂电阻温度计、热敏电阻温度计、热电偶温度计、光学高温计、红外温度计、辐射温度计、比色温度计等等都可实现对温度的测量[1]。其中,热电偶温度计具有结构简单、测温范围广(低至负180℃,高至1800℃)、耐高温、准确度高、价格便宜、使用方便、适于远距离测量与自动控制等优点。因而,它在高温测量方面得到较广泛的应用。

    1　热电偶的工作原理

    热电温度计是由热电偶、补偿导线及测量仪表构成的。其中热电偶是敏感元件,它由两种不同的导体A和B连接在一起,构成一个闭合回路,当两个连接点1与2的温度不同时,由于热电效应,回路中就会产生零点几到几十毫伏的热电动势,记为EAB。接点1在测量时被置于测场所,故称为测量端或工作端。接点2则要求恒定在某一温度下,称为参考端或自由端,如图1所示。

    实验证明,当电极材料选定后,热电偶的热电动势仅与两个接点的温度有关,即 

    比例系数SAB称为热电动势率,它是热电偶最重要的特征量。当两接点的温度分别为t1,t2时,回路总的热电动势为

    式中eAB(t1)、eAB(t2)分别为接点的分热电动势。对于已选定材料的热电偶,当其自由端温度恒定时,eAB(t2)为常数,这样回路总的热电动势仅为工作温度t1的单值函数。所以,通过测量热电动势的方法就可以测量工作点的实际温度。

    2　电偶测量温度的使用方法

    图1中我们把自由端2画成虚线,是想说明热电偶在使用时2点实际上不是直接相接的。由热电偶的中间金属定律:“在热电偶测温回路中,串接第三种导体,只要其两端温度相同,则热电偶所产生的热电动势与串接的中间金属无关”,那么,我们把较短的测量导线和仪表串接在2点并视其为第三种金属,就可认为它们不影响热电偶所产生的热电动势即工作温度的测量。

    实际使用时,测量场所与测量仪表往往相距很远,又因为组成热电偶的材料比较贵重,所以常加导线来连接。这里有两种使用方法:第一种,两根连接导线具有相同的热电性质,如在一根导线(如常用的紫铜线)上取下的两段线,它们的化学成分和物理性质就很相近,这时,可根据中间金属定律判断出电偶的热电动势只取决于电偶两端温度t1,t2,其它环境温度的影响就可忽略。第二,热电偶的两电极分别采用和自己热电性质相近的补偿导线延长至3点,这样热电动势只取决于t1和t3,而与t2无关。