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。
上述使用情况中,温度点t2和t3往往采用冰水混合物(0℃)来恒定温度。这时,总的热电动势就变成工作温度t1的单值函数,可记为E-t1。为了使用方便,对于不同的热电偶规定了不同的分度号,根据不同的分度号,我们又可查找其对应的分度表,从而得到标准热电偶E-t1关系的具体对应值(相关温度点一般规定为0℃)。下面给出一例[2],见表1。
热电偶测温时,除工作端外的各个部分要求有良好的绝缘,否则会引入误差,甚至无法测量。另外,为了支撑和固定热电极,延长其寿命,还应选择合适的保护套管材料。使用一段时间后,热电偶要和标准偶进行校正。
3 补偿电路的设计
现在的温度采集、控制系统可以将采集到的电偶电压经过放大、滤波、AD变换成数字信号,并用下位单片机把经过串行通信总线RS485、电平转换芯片MAX232、RS232串行总线送给上位计算机,从而实现测量、控制作用。也可使用智能控制仪表(含IC微处理器)来实现显示和控制,具体的流程如图2所示。
为了方便,我们可不使用冰水混合物来恒定温度,而是采用补偿电路的方法。具体办法是采用计算修正法。由补偿电路测得温度t2(或t3)的电压并送给仪表或计算机,由计算机换算出温度t2(或t3),再由软件查表法,根据数据库中存放的热电偶分度表查出对应的电偶的EAB(t2,0℃)值,然后,根据电偶电路直接测得的EAB(t1,t2)值,并按下式:
计算EAB(t1,0℃),最后还由计算机软件查表法,根据分度表反过来查出对应的工作温度值,从而实现显示、控制。该温度值即为被测的工作点真实温度值,按照这个步骤进行修正,结果很精确。
这里的电路设计难点是温度点t2(或t3)补偿测量电路的设计,下面给出了电路图如图3所示。
图3是一个温度-电压转换电路。电路中A1(电压跟随器)经过14kΩ和10kΩ电阻分压提供了5V的参考电压(ER),并作为后级放大电路的桥路端电压。它的第二级A2组成差动放大运算电路。其输入端为带有温度敏感元件的桥式电路[4]。
UP和UQ分别为差动放大器的两个输入电压,其中UP=RXER/(RC+Rx),UQ=RBER/(RA+RB),RF=1MΩ,RI=36KΩ。当RI远大于桥路的四个臂电阻RA,RB,RC和RX时,输出电压可以简化成:
在桥路中,Rx的两端接热敏电阻。温度敏感元件采用PB-41型热敏电阻。它在0~50℃的范围内被认为是线性的。这样,我们就得到了电偶温度点t2(或t3)与U0的关系。
电位器Rw1 (1kΩ)可以校正输出电压在桥路平衡时为零,Rw2 (1kΩ)可以校正输出电压值。两电阻的综合作用是使放大器在温度0~50℃的范围内,输出电压满足0至5V的要求。
当然,我们也可采用其它方法构成的测温补偿电路。例如,利用线性放大器组成的恒流源和温敏PN结(在其流过的电流恒定时,其两端电压与在一定范围内变化的温度基本成线性关系)就可以得到温度-电压关系。再如,利用恒流源和铂热电阻(它被公认为是温度敏感元件中准确度和重复性的标准。)可得到温度-电阻关系,并可以把温度引起的阻值变化量经过电阻串连转变为电压变化输出,并经过调理电路把电压信号调理为0至5V输出,经A/D变换后可用单片机或微机实现对温度的实时采集。
4 结论
热电偶原理易被掌握,在高温测量、控制方面应用广泛。如采用合理的补偿电路(即输入端带有桥式电路的差动运放电路)后,更能准确测量工作点的实际温度值,从而实现对温度或其它过程量的控制。
参考文献:
[ 1 ] 王常珍.冶金材料物理化学研究方法[M].北京:冶金工业出版社, 2002.
[ 2 ] 王魁汉.温度测量技术[M].沈阳:东北大学出版社, 1991. 86.
[ 3 ] 刘惠彬.测试技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1989. 275.
[ 4 ] 刘永洪.线性集运算放大器及其应用[M].北京:机械工业出版社, 1988. 271.
本文作者：周 明 ,张永山
