李玉霞，范敏

(中國(guó)航空工業(yè)第十區(qū)域成都計(jì)量站，四川成都610503)

0 引言

將兩種不同材料的金屬焊接在一起，就組成熱電偶，如果測(cè)量端與參考端有溫度差，就會(huì)在回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)。此熱電勢(shì)與溫差呈單值函數(shù)關(guān)系，測(cè)量熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)，通過(guò)查“熱電勢(shì)-溫度差的分度表”換算出測(cè)量端的溫度。熱電偶的測(cè)量端與參考端的溫差引起了熱電偶熱電勢(shì)的存在，如果將參考端放置在0℃的冰槽中，所測(cè)量的熱電勢(shì)值，通過(guò)查表，可以直接得到測(cè)量端的溫度值。所以實(shí)際測(cè)量中，如果參考端沒(méi)有處在0℃冰槽中，參考端的熱電勢(shì)的值也不為0，此時(shí)就要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

1 熱電偶的補(bǔ)償原理

在熱電偶測(cè)量線路中，需要接入連接導(dǎo)線和顯示儀表，這些熱電極的材料與導(dǎo)線的材料一般是不同的，于是我們就要知道，當(dāng)其它金屬材料接入熱電偶的電路后，對(duì)測(cè)量溫度有沒(méi)有影響?中間金屬定律指出，在一定的條件下電路中可以接入連接導(dǎo)線和顯示儀表。在熱電偶測(cè)量的回路中，只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，兩端接入中間其它金屬材料導(dǎo)體后，不影響熱電偶測(cè)量回路的總熱電勢(shì)。用中間導(dǎo)體C接入熱電偶回路可以有如圖1所示的接法。

圖1 熱電偶回路

熱電偶回路的熱電勢(shì)等于各接點(diǎn)熱電勢(shì)的代數(shù)和，即

可見當(dāng)中間金屬兩端溫度相同時(shí)，它將不影響總熱電勢(shì)。

此定律的應(yīng)用:

1)在熱電偶回路中接入測(cè)量?jī)x表和連接導(dǎo)線時(shí)，如果連接處兩端接點(diǎn)的溫度相同，則熱電偶的回路熱電勢(shì)不受不影響，有了這一中間金屬定律的理論依據(jù)，就可以將熱電偶回路的產(chǎn)生的熱電熱測(cè)量出來(lái)。

2)熱電偶測(cè)量端的溫度，不管采用電極焊、電氟焊等多種方法制作測(cè)量端的焊點(diǎn)，只要焊點(diǎn)上溫度相等，產(chǎn)生的熱電勢(shì)也會(huì)一致。因此焊點(diǎn)的大小和制成方法不影響熱電偶回路總的電動(dòng)勢(shì)的大小。依據(jù)這一定律，熱電偶的測(cè)量端就可以連接，使電路組成為一個(gè)完整的回路，進(jìn)行溫度測(cè)量。

2 補(bǔ)償導(dǎo)線

熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線由合金絲、絕緣層、護(hù)套和屏蔽層等組成。補(bǔ)償導(dǎo)線可以改善熱電偶整個(gè)測(cè)溫線路物理性能和機(jī)械性能，使用多股線芯或小直徑合金絲，在常溫或一定溫度溫度范圍內(nèi)，補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電動(dòng)勢(shì)的標(biāo)稱值同所匹配熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)的標(biāo)稱值相同。即補(bǔ)償導(dǎo)線在電路中充當(dāng)作熱電偶的角色。

運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線的好處主要體現(xiàn)在以下三方面:

1)從經(jīng)濟(jì)學(xué)效益考慮，可以降低使用成本。補(bǔ)償導(dǎo)線主要材料是合金絲，與熱電偶相比價(jià)格要便宜得多。當(dāng)檢定裝置與被測(cè)電偶的距離相差較遠(yuǎn)時(shí)，如果全程使用熱電偶成本太高，就可以考慮使用補(bǔ)償導(dǎo)線降低成本，比如在測(cè)量貴金屬熱電偶時(shí)就可以大大的降低成本。

2)實(shí)現(xiàn)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)室里測(cè)量熱電偶時(shí)要使用到補(bǔ)償導(dǎo)線。對(duì)于鎧裝熱電偶和一些短型的熱電偶，在測(cè)量時(shí)測(cè)量端不能直接插入冰瓶里，此時(shí)就要用到補(bǔ)償導(dǎo)線，熱電通過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線接入冰瓶，再通過(guò)銅線接入顯示儀表。

3)提高熱電偶測(cè)量線路的物理性能和機(jī)械性能，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線使用的合金絲的繞性好，使電路的接線更方便;絕緣層、護(hù)套和屏蔽層可以調(diào)節(jié)線路抗阻或屏蔽靜電和外磁場(chǎng)的干擾信號(hào)。

補(bǔ)償導(dǎo)線分兩種:補(bǔ)償型補(bǔ)償導(dǎo)線和延長(zhǎng)型補(bǔ)償導(dǎo)線:

1)補(bǔ)償型補(bǔ)償導(dǎo)線，該合金絲的名義化學(xué)成分與相對(duì)應(yīng)的熱電偶不同，但它的熱電動(dòng)勢(shì)的值在一定的范圍內(nèi)與所對(duì)應(yīng)的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)標(biāo)稱值相同的，用字母“C“表示，跟在分度號(hào)之后;不一樣的合金絲的組合可以組成相同的分度號(hào)的熱電偶，添加上相應(yīng)的字母以示區(qū)別;如:“KCA”，“KCB”。

2)延長(zhǎng)型補(bǔ)償導(dǎo)線;該合金的名義化學(xué)成分與相對(duì)應(yīng)的熱電偶相同，相同溫度補(bǔ)償導(dǎo)線產(chǎn)生的熱電勢(shì)的標(biāo)稱值與對(duì)應(yīng)熱電偶的熱電勢(shì)相等。用字母“X”表示，如KX。

3 冷端補(bǔ)償

1)接入冰槽

式(1)反映的是相對(duì)于冷端溫度的熱端溫度。如果將冷端放在0℃的冰槽中，顯示儀表上顯示的熱電勢(shì)的值就是熱端溫度對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)的值，通過(guò)查表就可以換算出熱端對(duì)應(yīng)的溫度值。

如圖2所示，A，B端為熱電偶的熱端和冷端，BC為補(bǔ)償導(dǎo)線，CD是連接顯示儀表的銅線。此處使用冰槽是為給熱電偶的冷端提供一個(gè)0℃的環(huán)境，BC補(bǔ)償導(dǎo)線是電偶的延長(zhǎng)。

2)室溫補(bǔ)償

如果熱電偶冷端無(wú)法接入冰槽，顯示儀表上測(cè)出的熱電勢(shì)是T與T0之間的溫差所產(chǎn)生的熱電勢(shì)值。因此實(shí)際測(cè)量中如果參考端處于室溫時(shí)，需要進(jìn)行室溫補(bǔ)償。將室溫T0時(shí)對(duì)應(yīng)熱電勢(shì)值與儀表的值相加后，查表對(duì)應(yīng)換算出相應(yīng)的熱端溫度值。

圖2 測(cè)量熱電偶連線

4 測(cè)溫儀表的補(bǔ)償問(wèn)題

1)在校準(zhǔn)具有熱電偶參考端溫度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)臏y(cè)溫儀表時(shí)，其接線如圖3所示。

標(biāo)準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生標(biāo)稱熱電勢(shì)的值，通過(guò)銅線接至冰槽，在冰槽中與補(bǔ)償導(dǎo)線連接，給數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀提供一個(gè)標(biāo)稱電壓，從而校準(zhǔn)被測(cè)儀表的顯示誤差。值得注意的是:與源相接的是銅線，與被檢表相連接的補(bǔ)償導(dǎo)線。此處的補(bǔ)償導(dǎo)線所產(chǎn)生的熱電勢(shì)與自動(dòng)補(bǔ)償?shù)臒崦綦娮杷a(chǎn)生的熱電勢(shì)的值大小相等，方向相反，相互抵消后，相當(dāng)于在電路中直接接入了銅線。抵消后就相當(dāng)于圖4的接法。

圖3 具有熱電偶參考端溫度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)膬x表，校準(zhǔn)時(shí)所用的標(biāo)準(zhǔn)器和接線

2)不具有熱電偶參考端溫度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)膬x表，校準(zhǔn)時(shí)所用的標(biāo)準(zhǔn)器和接線如圖4所示。

圖4 不具有熱電偶參考端溫度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)膬x表，校準(zhǔn)時(shí)所用的標(biāo)準(zhǔn)器和接線

此時(shí)可以不使用冰槽進(jìn)行冷端補(bǔ)償，與被校表相接的是銅線，此處被檢表相當(dāng)于圖2中的顯示儀表，直接接上銅線就可以了。

5 總結(jié)

熱電偶廣泛應(yīng)用于各種測(cè)溫場(chǎng)所，精度較高，穩(wěn)定性好，測(cè)溫區(qū)寬，使用壽命長(zhǎng)，靈敏度高。在使用和校準(zhǔn)時(shí)要正確連接測(cè)溫儀表。精密測(cè)溫時(shí)優(yōu)先選擇冰槽補(bǔ)償;一般測(cè)溫時(shí)則可以選用室溫補(bǔ)償。在校準(zhǔn)具有熱電偶參考端自動(dòng)補(bǔ)償功能的測(cè)溫儀表時(shí)，要使用相應(yīng)分度號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線連接被測(cè)儀表，將冷端溫度補(bǔ)償?shù)?℃。校準(zhǔn)不具有熱電偶參考端自動(dòng)補(bǔ)償功能的測(cè)溫儀表，可以直接使用銅線連接，無(wú)需補(bǔ)償。

［1］國(guó)防科工委科技與質(zhì)量司.熱學(xué)計(jì)量［M］.北京:原子能出版社，2002.

［2］魏元，吳璋，徐岱.K型熱電偶冷端補(bǔ)償研究［J］.計(jì)測(cè)技術(shù)，2011，31(6):43-44

［3］國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.JJG617-96數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀檢定規(guī)程［S］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1997.