热电偶测温原理及线性化处理

【摘要】温度是表征设备状态的重要物理量，也是传热学中进行分析计算的重要参数，温度测试是教学实验与工业生产中经常遇到的问题。热电偶温度传感器是将被测温度转化为热电动势信号输出，通过连接导线与显示仪表相连接组成测温系统，实现温度自动测量、显示或记录、报警及控制。

【关键词】热电偶；温度测量；线性化

一、热电偶概述

热电偶作为测温元件，其结构简单、制造容易、使用方便、测温精度较高，可就地测量和远传。目前约有50%的工程温度测控工作是用热电偶来完成的，特别是在钢铁、有色金属、火力发电站、航空发动机、原子能反应堆、石油精炼、化工、机械热处理等高温领域中，热电偶是最主要的测温手段。

热电偶传感器是利用“热电效应”制成的，利用两种不同导体组成闭合回路。当闭合回路的两接点也就是热电偶的工作端和自由端分别处于不同的温度场中时，回路中将会产生电动势，产生的电动势只与工作端和自由端的温度差有关。由于热电偶产生的热电动势与两端温度有关，只需将冷端的温度恒定，热电动势与热端温度构成单值函数。

在实际应用中，热电偶的冷端通常靠近被测对象，且受到周围环境温度的影响，其温度不是恒定不变的，因此必须采取一些相应的措施进行补偿，补偿导线法是将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所，相当于将热电极延长，根据热电偶回路中接入第三种导体，只要导体两端接点温度相同，回路中总的热电动势保持不变，这样只要热电偶和补偿导线的两个接点温度一致，就不会影响热电动势的输出。

二、热电偶测温原理

热电偶是热电偶温度计的敏感元件，它测温的基本原理是热电效应，又称塞贝克效应。如图2.1所示，把两种不同的导体（或半导体）A和B连接成闭合回路。

当两接点1与2的温度不同时，如T>To，则回路中就会产生热电势EAB（T，T0）。导体A和B叫做热电极。两热电极A和B的组合称作热电偶。在两个接点中，接点1是将两电极焊在一起，测温时将它放入被测对象中感受被测温度，故称之为测量端、热端或工作端；接点2处于环境之中，要求温度恒定，故称之为参考端、冷端或自由端。

热电偶就是通过测量热电势来实现测温的。该热电势是由两部分组成：接触电势与温差电势。

（1）接触电势

接触电势是基于帕尔帖效应产生的，即两种不同导体接触时，自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散，直至达到动态平衡时形成的热电势。电子扩散的速率与自由电子的密度和所处的温度成正比。设导体A和B的电子密度分别为NA和NB，并且NA>NB，则在单位时间内，由导体A扩散到导体B的电子数比从B扩散到A的电子数多，导体A因推动电子而带正电，导体B因获得电子而带负电，因此，在A和B之间形成了电势差。这个电势在A，B接触处形成一个静电场，阻碍扩散作用的继续进行。在某一温度下，电子扩散能力与静电场的阻力达到动态平衡，此时在接点处形成接触电势，如式2.1所示：

式中，e为单位电荷，e=1.160*10-19C；K为玻耳兹曼常数，K=1.38*10-23J/K；EAB（T）和EAB（T0）分别为导体A和B的两个接点在温度T和To时的电位差。NAT和NAT0为导体A在温度分别为T和T0时的电子密度，NBT和NBT0为导体B在温度分别为T和T0时的电子密度。

从式2.1可以看出，接触电势的大小与该接点温度的高低以及导体A和B的电子密度比值有关，温度越高，接触电势越大，两种导体电子密度的比值越大，接触电势也越大。

（2）单一导体中的温差电势

温差电势是基于汤姆逊效应产生的，即同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。设导体A（或B）两端温度分别为T和T0，且T>T0，此时形成温度梯度，使高温端的电子能量大于低温端的电子能量，因此从高温端扩散到低温端的电子数比从低温端扩散到高温端的要多，结果使高温端因失去电子而带正电荷，低温端因获得电子而带负电荷。因而，在同一导体两端便产生电位差，并阻止电子从高温端向低温端扩散，最后使电子扩散达到动态平衡，此时所形成的电位差称作温差电势。A，B导体分别都有温差电势产生，可由式2.2表示：

式中NAT和NBT分别为导体A，B在某温度T时的电子密度；EA（T，T0）和EB（T，T0）分别为A和B两端在T和T0（T>T0）时的温差电势。

（3）热电偶闭合回路的总电势

如图2.2所示的热电偶闭合回路中将产生两个温差电势EA（T，T0）和EB（T，T0）及两个接触电势EAB（T）和EAB（T0）。设T>To、NA>NB，由于温差电势比接触电势小，所以在总电势中，以导体AB在热端的接触电势EAB（T）所占百分比大，决定了总电势的方向，这时总电势EAB（T，T0）可写成：

由式2.4可知，热电偶总电势与电子密度及两接触点温度有关。电子密度不仅取决于热电偶材料特性，而且随温度的变化而变化，它们并非常数。所以，当热电偶材料一定时，热电偶的总电势EAB（T，T0）成为温度T和T0的函数差，即：

这种特性称为热电偶的热电特性，可通过实验方法求得。由此可见，当保持热电偶冷端温度T0不变时，只要用仪表测得热电势EAB（T，T0），就可求得被测温度。

三、热电偶的线性化处理方法

热电偶作为测温元件，其输出信号与温度之间存在着一定程度的非线性关系，在进行信号传送及数据处理时，往往希望其特性为线性的，因而有必要对其非线性特性进行线性化处理。据现在温度检测及控制系统使用情况来看，主要可采用模拟线性化和数字线性化两种方法。

（1）模拟线性化

对来自热电偶的输出信号采用模拟线性化处理，实现起来简单且成本低廉，基本误差可控制在2%以下，能满足一般工业检测及控制的要求。

设某热电偶的热电势与其温度之间的变化曲线如图3.1中的实线所示。由于工业常用的几种热电偶的输出特性曲线存在共同特点，即除了曲线起始部分非线性较严重以外，其它部分线性较好。因此，可考虑将曲线的线性部分延长，如图3.1中虚线所示，用此虚线代替原曲线的起始部分，这样用一条斜线代替原来的曲线，斜线与纵轴的交点称折点电位。从而实现了将原特性曲线的线性化处理，这种方式在信号处理称“平滑近似法”。

（2）数字线性化

如果热电偶输出的模拟信号已经过数字化处理，那么此时的线性化方式就要采用数字线性化，此方法主要的技术包括存贮器（ROM）和一些计算方法，多用在采用计算机技术的检测及控制系统中。在系统设计时，尽可能地用软件代替硬件，以减少误差及干扰来源，提高精度及可靠程度。基于这些优点，在高精度、高稳定的温度测量及控制场合，一般采用数字线性化进行数据处理。

根据目前工业生产中常用的几种热电偶特性曲线变化均较平滑的特点，可采用线性插值法进行处理，并且可达到比较好的效果。.具体实现方法是在系统软件设计时设置一个具有“非线性特性处理”功能的模块，此模块设计步骤如下。

首先，根据热电偶输出的mV信号分度表，作出一条比较精确的输入—输出曲线。

其次，对特性曲线分段，选取插值点。分段方法采取非等间距分段法。热电偶的特性曲线特点是起始部分斜率变化较大，而中部曲线平缓，接近线性，因此取插值点时在起始部分间距取小一点，中部间距取大点。这样取法不仅精度可以得到保证，而且可节省所占用的内存空间，加快计算速度。

然后，根据确定的插值点，计算热电偶输出电势与温度的函数关系。

作者简介：石学伟（1982—），男，河北唐山人，内蒙古科技大学学士，现供职于唐钢自动化公司曹妃甸1700冷轧部，研究方向：自动化仪表。

推荐访问： 测温 线性化 热电偶 原理

---