火與冰--溫度測量
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關鍵詞：溫度測量，熱電偶，熱電效應，熱電動勢，熱電偶類型，補償電纜，補償箱

溫度測量在工業中是非常重要的。在化工和環保領域大多采用溫度傳感器來控制。由于價格低而經常優先選擇熱電偶。

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？補償電纜和冷端補償箱具有哪個功能？熱電偶可以直接連接一個標準數字萬用表嗎？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：物理解釋

在每個金屬中，當電子對于原子核結合力低時，電子在金屬內可以自由運動。作為好的導體的金屬平均提供一個電子來運送電荷。這就意味著運送電荷的電子數目與原子的平均數相同。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散。這一行為與氣體相似，因此可以用電子氣體來表達。氣體熱脹冷縮。(圖1)像氣體一樣，電子均勻填充得到的空間。

如果兩種載荷濃度不同的金屬相連時，例如銀(高濃度)和銅(低濃度)，電子將從高濃度向低濃度擴散，直到均勻分布為止。(圖2)。結果將產生擴散電壓或接觸電壓，因為相對于其它金屬，低電子數的金屬將充電。

電子擴散可以用動能來解釋。對于熱平衡，兩種電子氣體之間沒有壓差，也不會產生由接觸電壓場引起的電動力。

原理上可以測量接觸電壓。然而，一連接電壓表，在不同金屬的接點上，就會產生額外的接觸電壓。這些可以用熱電偶來補償接觸電壓。稍后可以用電路版本1來證明。

這一規則包含：只要所有部件的溫度相同，由熱產生的閉合電路電壓的代數和為零。溫度不同，才會引起由熱產生的電壓。

熱電偶溫度范圍：

熱電偶允許測量實際相關的溫度，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：

熱電動勢電壓刻度可以決定不同金屬組合產生的接觸電壓。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。結合點溫度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。實際上由于價格的原因很少采用鉑金，組合金屬A和B的電壓Kab有以下關系：

Kab=Kap-Kbp
表1.在結合處0°C和100°C之間，熱電動勢刻度給出的溫度差別

例子：

鐵-康銅：Kkonst-Kfe=-3.47-1.87=5.34mV/100K.(根據DIN標準應當為5.5mV/100K)

熱電壓Vt=Kt(Tm-Tc)

這里Kt:金屬熱電動勢常數
Tm:測量點溫度
Tc:參考接合點溫度

例子：

銅-康銅熱電偶靈敏度0.05mV/K,熱電壓16mV,如果參考接合點溫度為0℃，那么測量點的溫度Tm為：

Tm-Tc=Vt/Kt
Tm-Tc=16mV/0.05mV/K=320K
Tc=0℃
Tm=320℃

熱電偶類型和區分方法

用識別符號來區分熱電偶，例如“類型J”, “類型K”.表2列出根據標準DIN IEC 584的熱電偶類型：
表2.熱電偶類型

另外有舊標準DIN437/10/13/14,英國BS4937和法國NF C42-324標準。每種標準有不同的顏色；根據舊DIN43710標準K型熱電偶為紅/綠。英國標準為棕/蘭，法國標準為黃/紫。利用顏色來識別熱電偶，特別在替代有缺陷的熱電偶時非常有用。當然只利用顏色來識別是不夠的，實際上還要測量其磁性，如鐵，鎳(無鉻)和鎳硅石磁性的。這可以排除幾種可能。

實際上如以上提及的很難準確選擇熱電偶的類型。當選擇一個熱電偶時，需要考慮很多參數(測量點溫度，環境溫度，濕度，電磁場等)。Condustrie 公司-MET AG(CH8260 Wetzikon,瑞士)專業設計和制造溫度傳感器。

補償電纜

補償電纜比熱電偶(特別是鉑和錸)便宜，它們具有靈活性和低阻性。當需要長距離測量時優先考慮補償電纜。

圖3 K型熱電偶，連接器，補償電纜
兩種插頭比較普遍(見圖3)，綠色插頭(陰)是R和S型熱電偶標準插頭，大多用在固定安裝。手持式儀表用黃色插頭(陰)，是K型熱電偶。金屬棒是一種熱電偶，采用不銹鋼金屬密封。熱電偶線采用氧化鎂。彎曲和施壓不會產生短路。這些金屬棒主要用在工業，當測量點很難觸及，可利用其彎曲特性，或遇到振動時可使用金屬棒。金屬棒必須連接特殊的壓接端或者用補償電纜連接。

標準電路，參考點和補償箱

圖4.熱電偶溫度測量電路
有兩種標準電路。圖4中參考點是點2和點3.對于絕對測量這是非常重要的。它必須保持在恒定已知溫度(例如冰瓶).對于長期測量，冰瓶是不夠的。它必須由叫做補償箱的來代替。補償箱保持參考接合點和參考點環境溫度影響的補償系數NTC.參考點大多是一個等溫塊，既是電絕緣體，又是好的熱導體。

德國惠美公司的HM8112-3數字萬用表用熱電偶，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.