火與冰--溫度測量
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本文提出的問題是：它是怎樣工作的？為什么模擬電壓表顯示為零？補(bǔ)償電纜和冷端補(bǔ)償箱具有哪個功能？熱電偶可以直接連接一個標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字萬用表嗎？能避免哪些錯誤？以下來回答這些問題。
歷史回顧
世界上勒?夏特利埃第一個在1887年使用熱電偶進(jìn)行溫度測量。它采用鉑—鉑銠(Pt—PtRh)合金制成，非常適于精確測量溫度0到1300℃。
熱電效應(yīng)：物理解釋
在每個金屬中，當(dāng)電子對于原子核結(jié)合力低時，電子在金屬內(nèi)可以自由運(yùn)動。作為好的導(dǎo)體的金屬平均提供一個電子來運(yùn)送電荷。這就意味著運(yùn)送電荷的電子數(shù)目與原子的平均數(shù)相同。對每種金屬單位大小的原子密度不同，因此自由電子的濃度必然不同。在金屬中對于熱平衡，也就是說每個地方的溫度是一樣的，負(fù)電荷，電子均勻分布。如果溫度不同，T1>T2,這時電子從熱的地方向冷的地方擴(kuò)散。這一行為與氣體相似，因此可以用電子氣體來表達(dá)。氣體熱脹冷縮。(圖1)像氣體一樣，電子均勻填充得到的空間。
原理上可以測量接觸電壓。然而，一連接電壓表，在不同金屬的接點(diǎn)上，就會產(chǎn)生額外的接觸電壓。這些可以用熱電偶來補(bǔ)償接觸電壓。稍后可以用電路版本1來證明。
這一規(guī)則包含：只要所有部件的溫度相同，由熱產(chǎn)生的閉合電路電壓的代數(shù)和為零。溫度不同，才會引起由熱產(chǎn)生的電壓。
熱電偶溫度范圍：
熱電偶允許測量實(shí)際相關(guān)的溫度，范圍從-270℃(金鐵-鎳鉻)到+2800℃(鎢錸3-鎢錸25)由非金屬材料制成的熱電偶允許測量更高的溫度。
德國惠美公司的HM8112-3臺式萬用表利用熱電偶，鉑傳感器和熱敏電阻器可以測量溫度，如下圖：
HM8112-3數(shù)字萬用表測量DC,AC,頻率和
溫度(使用熱電偶，鉑傳感器和熱敏電阻器)
熱電動勢電壓刻度可以決定不同金屬組合產(chǎn)生的接觸電壓。為了識別未知金屬，通常熱電偶前端采用鉑金屬，后端為被測金屬。結(jié)合點(diǎn)溫度100℃，冷端溫度0℃，測量的熱電動勢電壓決定被測金屬類型。熱電動勢刻度給出的Kxp值就是那些組合金屬的類型，它是用鉑金以mV/100K來表示溫度范圍。實(shí)際上由于價(jià)格的原因很少采用鉑金，組合金屬A和B的電壓Kab有以下關(guān)系：
Kab=Kap-Kbp
表1.在結(jié)合處0°C和100°C之間，熱電動勢刻度給出的溫度差別
鐵-康銅：Kkonst-Kfe=-3.47-1.87=5.34mV/100K.(根據(jù)DIN標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)為5.5mV/100K)
熱電壓Vt=Kt(Tm-Tc)
這里Kt:金屬熱電動勢常數(shù)
Tm:測量點(diǎn)溫度
Tc:參考接合點(diǎn)溫度
例子：
銅-康銅熱電偶靈敏度0.05mV/K,熱電壓16mV,如果參考接合點(diǎn)溫度為0℃，那么測量點(diǎn)的溫度Tm為：
Tm-Tc=Vt/Kt
Tm-Tc=16mV/0.05mV/K=320K
Tc=0℃
Tm=320℃
熱電偶類型和區(qū)分方法
用識別符號來區(qū)分熱電偶，例如“類型J”, “類型K”.表2列出根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DIN IEC 584的熱電偶類型：
表2.熱電偶類型 
實(shí)際上如以上提及的很難準(zhǔn)確選擇熱電偶的類型。當(dāng)選擇一個熱電偶時，需要考慮很多參數(shù)(測量點(diǎn)溫度，環(huán)境溫度，濕度，電磁場等)。Condustrie 公司-MET AG(CH8260 Wetzikon,瑞士)專業(yè)設(shè)計(jì)和制造溫度傳感器。
補(bǔ)償電纜
補(bǔ)償電纜比熱電偶(特別是鉑和錸)便宜，它們具有靈活性和低阻性。當(dāng)需要長距離測量時優(yōu)先考慮補(bǔ)償電纜。
圖3 K型熱電偶，連接器，補(bǔ)償電纜
標(biāo)準(zhǔn)電路，參考點(diǎn)和補(bǔ)償箱
圖4.熱電偶溫度測量電路
德國惠美公司的HM8112-3數(shù)字萬用表用熱電偶，鉑傳感器和熱敏電阻器來測量溫度。
第二種連接方法如圖5.
圖5.熱電偶(參考接合點(diǎn))
熱電偶優(yōu)點(diǎn)：
● 經(jīng)濟(jì)實(shí)惠
● 長期穩(wěn)定
● 小和低熱電容
● 快速
● 有源傳感器
● 大溫度范圍(0到2800℃)
● 堅(jiān)固耐用
熱電偶缺點(diǎn)：
● 由于熱電偶由不相同的一對金屬構(gòu)成，必須當(dāng)心閉合電路中不期望的熱電偶。
● 產(chǎn)生的電壓非常小，為了識別0.1度的分辨率，需要很低漂移的放大器。
● 根據(jù)介質(zhì)類型，必須補(bǔ)償總非線性。
● 信號非常低，例如7到75μV/度
● 參考點(diǎn)必須保持恒定已知溫度或者輸出必須校正。
實(shí)際中經(jīng)常碰到的錯誤：
熱電偶是兩種不同金屬焊接在一起。壞的焊接點(diǎn)將導(dǎo)致測量誤差。急劇彎曲將斷開接合點(diǎn)或短路。另一種錯誤是極性錯誤。
檢測和維修故障：
如果測量接合點(diǎn)發(fā)熱而電壓表仍顯示零，很可能電路中有斷路。用歐姆表可以找到壞的焊接點(diǎn)。電阻值超過1K表明故障所在。電路中任何短路并不意味著輸出為零。相反，一個新的熱電偶在短路點(diǎn)將產(chǎn)生錯誤結(jié)果。這可以用加熱測量點(diǎn)來驗(yàn)證：如果電壓不變或不明顯，極有可能某處存在短路。
如果熱電偶極性連接錯誤，將不會引起例如-150度而是+150度！根據(jù)測量儀器類型不同，可顯示任意值。測試方法相同：加熱測量點(diǎn)，如果溫度升高電壓下降，表明極性錯誤。
所謂擴(kuò)散錯誤是由周圍環(huán)境粒子擴(kuò)散到接合點(diǎn)引起的。大多是由施加于熱電偶的強(qiáng)機(jī)械壓力(例如彎曲和振動)或高溫(>1000℃)造成的。這樣的壞熱電偶被稱為中毒。當(dāng)溫度指示仍然正確時，這種錯誤很難檢測。當(dāng)測量值慢速漂移時出現(xiàn)擴(kuò)散錯誤。替代中毒熱電偶時最好也替代所有的補(bǔ)償電纜，連接器等。
證明：閉合電路熱電壓總和為零：
進(jìn)一步說明當(dāng)電路由不同金屬組成時，溫度不同將產(chǎn)生熱電壓。
證明：
所有電壓總和M：
-V1+V2+V3=0,因此: V1=V2+V3
V1(鐵-康銅)：KFe-CuNi=KFe-KCuNi：
1.87-(-3.47)=5.34mV/100K
V2(銅-康銅)：KCu-CuNi=KCu-KCuNi：
0.72-(-3.47)=4.19mV/100K
V3(鐵-銅)：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
計(jì)算證明電壓表直接連接熱電偶電壓測量值為零，電路所有部件溫度相同。只有測量和參考接合點(diǎn)溫度不同，才能產(chǎn)生熱電壓。
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