沈洋

【摘要】本文介紹了熱電偶基本知識，重點簡述了K型熱電偶測溫原理以及利用集成運算放大器構(gòu)成測溫電路的測溫實驗過程。

【關(guān)鍵詞】熱電偶;測溫;集成運放

1.熱電偶簡介

熱電溫度記錄儀常以熱電偶作為測溫元件，它廣泛用來測量-200℃-1300℃范圍內(nèi)的溫度，特殊情況下，可測至 2800 ℃的高溫或 4K 的低溫。它具有結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，準確度高，測溫范圍廣等特點。由于熱電偶將溫度轉(zhuǎn)化成電量進行檢測，使溫度的測量、控制、以及對溫度信號的放大變換都很方便，適用于遠距離測量和自動控制。在接觸式測溫法中，熱電溫度計的應用最普遍。

K型熱電偶作為一種溫度傳感器，K型熱電偶通常和顯示儀表，記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用。K型熱電偶可以直接測量各種生產(chǎn)中從0℃到1300℃范圍的液體蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。

K型熱電偶通常由感溫元件、安裝固定裝置和接線盒等主要部件組成。它是目前用量最大的廉金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和。K型熱電偶絲直徑一般為1.2～4.0mm。具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜等優(yōu)點，能用于氧化性惰性氣氛中廣泛為用戶所采用。K型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛。

2.熱電偶測溫原理

1823年塞貝克（Seebeck）發(fā)現(xiàn)，在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中，當兩接觸處的溫度不同時，回路中就要產(chǎn)生熱電勢，稱為塞貝克電勢。

圖1 熱電偶原理圖

如圖1所示，兩種不同材料的導體A和B，一端溫度為T0，另外一端溫度為T（設(shè)T>T0），這時在這個回路中將產(chǎn)生一個與溫度T 、T0以及導體材料性質(zhì)相關(guān)的電勢EAB（T，T0），顯然可以利用這個熱電效應來測量溫度。在測量技術(shù)中，把由兩種不同材料構(gòu)成的上述熱電變換元件稱為熱電偶。A、B導體稱為熱電極，兩個接點，一個為熱端（T），又稱為測量端;另一個為冷端（T0）又稱為參比端。

熱電偶的熱電勢EAB（T，T0）是由帕爾貼電勢（接觸電勢）和湯姆遜電勢（溫差電勢）合成的。接觸電勢是指兩種不同的導體或半導體在接觸處產(chǎn)生的電勢，此電勢與兩種導體或半導體的性質(zhì)及在接觸點的溫度有關(guān)。而溫差電勢是由于兩熱電極兩端溫度不同產(chǎn)生的電勢。

熱電偶的熱電勢EAB（T，T0）大小與熱電極直徑、長度及沿熱電極長度上的溫度分布無關(guān)，只與熱電極材料和兩端溫度有關(guān)。熱電偶回路中插入其它導體或電路時，不會影響原來熱電勢的大小。

熱電偶根據(jù)制造材料不同和測溫范圍不同，可分為K、E、J、T、B、R、S型，其中K型熱電偶線性度較好。表1所示為K型熱電偶的分度表。

從表1中可以觀察到當冷端和熱端溫差為0℃時，冷端輸出熱電勢為0mV，當溫差為100℃時，輸出熱電勢為4.096mV，當溫差為200℃時，輸出熱電勢為8.138mV，當溫差為400℃時，輸出熱電勢為16.397mV，輸出的熱電勢與溫差基本是線性關(guān)系的。根據(jù)熱電偶的中間溫度定理，當冷端和熱端溫度分別為T和0時，而T0是它們的中間溫度，那么熱電勢EAB（T，0）可寫成EAB（T，T0）加上EAB（T0，0），即：

EAB（T，0）=EAB（T，T0）+EAB（T0，0） ? ?（1）

通常冷端在實驗室環(huán)境中，用T0表示實驗室溫度，設(shè)為20℃，那么（1）式可寫成：

EAB（T，0）=EAB（T，20）+EAB（20，0） ? ?（2）

根據(jù)熱電勢與溫差之間的線性關(guān)系，可寫出：

T=ΔT+20 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

即測量點的絕對溫度等于測量點與冷端的溫度差ΔT加上冷端的溫度（實驗室溫度），通?？捎脺囟扔嫓y量實驗室溫度。我們把以上提到的測溫方法稱為冷端溫度修正法，主要應用在冷端所處溫度基本不變的前提下，如實驗室環(huán)境下。當冷端溫度不穩(wěn)定時，通常采用冷端溫度自動補償法，需要在電路中加入冷端補償電路。

3.集成運算放大器構(gòu)成的熱電偶測溫電路

由于熱電偶輸出的熱電勢數(shù)值很小，可經(jīng)過同相比例放大電路將輸出電壓放大，而且可讓輸出的電壓值與溫度差能夠?qū)?，可設(shè)計出圖2所示的電路。

圖2 運算放大器構(gòu)成的熱電偶測溫電路

K型熱電偶兩端溫差為0℃時，即兩端同時在實驗室環(huán)境中時，產(chǎn)生的熱電動勢為0mV，溫差為100℃時產(chǎn)生的熱電動勢為4.096mV。若調(diào)節(jié)RP使電路的放大倍數(shù)為244倍，則熱電偶在0-100℃范圍內(nèi)的輸出電壓為0.00-1.00V，靈敏度為10mV/℃。這樣，1.00V可讀成100℃，那么0.80V對應就是80℃，0.12V對應就是12℃。需要說明的是，該電路測量的只是冷端與熱端的溫度差，溫度差加上實驗室的環(huán)境溫度才是測量的實際溫度。