熱電偶

熱電偶（thermocouple）是溫度測(cè)量儀表中常用的測(cè)溫元件，它直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。各種熱電偶的外形常因需要而極不相同，但是它們的基本結(jié)構(gòu)卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套保護(hù)管和接線盒等主要部分組成，通常和顯示儀表、記錄儀表及電子調(diào)節(jié)器配套使用。

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是需要測(cè)量和控制的重要參數(shù)之一。在溫度測(cè)量中，熱電偶的應(yīng)用極為廣泛，它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、測(cè)量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳等許多優(yōu)點(diǎn)。另外，由于熱電偶是一種有源傳感器，測(cè)量時(shí)不需外加電源，使用十分方便，所以常被用作測(cè)量爐子、管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。

工作原理

當(dāng)有兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組成一個(gè)回路，其兩端相互連接時(shí)，只要兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，一端溫度為T，稱為工作端或熱端，另一端溫度為T0 ，稱為自由端（也稱參考端）或冷端，回路中將產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。這種現(xiàn)象稱為“熱電效應(yīng)”，兩種導(dǎo)體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導(dǎo)體稱為“熱電極”，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)則稱為“熱電動(dòng)勢(shì)” 。

熱電動(dòng)勢(shì)由兩部分電動(dòng)勢(shì)組成，一部分是兩種導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢(shì)，另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)。

熱電偶回路中熱電動(dòng)勢(shì)的大小，只與組成熱電偶的導(dǎo)體材料和兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀尺寸無關(guān)。當(dāng)熱電偶兩電極材料固定后，熱電動(dòng)勢(shì)便是兩接點(diǎn)溫度t和t0。的函數(shù)差 。

這一關(guān)系式在實(shí)際測(cè)溫中得到了廣泛應(yīng)用。因?yàn)槔涠藅0恒定，熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)只隨熱端（測(cè)量端）溫度的變化而變化，即一定的熱電動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)著一定的溫度。我們只要用測(cè)量熱電動(dòng)勢(shì)的方法就可達(dá)到測(cè)溫的目的 ［1］ 。

熱電偶測(cè)溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，

當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過，此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢(shì)——熱電動(dòng)勢(shì)，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect）。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個(gè)恒定的溫度下。根據(jù)熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶分度表；分度表是自由端溫度在0℃時(shí)的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。

在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時(shí)，只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測(cè)溫時(shí)，可接入測(cè)量儀表，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)后，即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度。熱電偶測(cè)量溫度時(shí)要求其冷端（測(cè)量端為熱端，通過引線與測(cè)量電路連接的端稱為冷端）的溫度保持不變，其熱電勢(shì)大小才與測(cè)量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測(cè)量時(shí)，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將嚴(yán)重影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。在冷端采取一定措施補(bǔ)償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補(bǔ)償正常。與測(cè)量儀表連接用專用補(bǔ)償導(dǎo)線。

熱電偶冷端補(bǔ)償計(jì)算方法：

從毫伏到溫度：測(cè)量冷端溫度，換算為對(duì)應(yīng)毫伏值，與熱電偶的毫伏值相加，換算出溫度；

從溫度到毫伏：測(cè)量出實(shí)際溫度與冷端溫度，分別換算為毫伏值，相減後得出毫伏值，即得溫度。

在做溫度控制時(shí)都會(huì)遇到熱電偶電勢(shì)轉(zhuǎn)換到溫度、溫度轉(zhuǎn)換到電勢(shì)，如果查表編程比較麻煩。我根據(jù)熱電偶的正函數(shù)和反函數(shù)編了2個(gè)轉(zhuǎn)換函數(shù)，個(gè)人認(rèn)為比較方便，而且網(wǎng)上也很少有熱電偶的正函數(shù)和反函數(shù)的資料，所以我show給大家看看，也許各位會(huì)用到。這2個(gè)函數(shù)是針對(duì)K型熱電偶的。

注：之前的VtoTemp（）函數(shù)沒有包含負(fù)電壓的轉(zhuǎn)換，而且還有錯(cuò)誤，現(xiàn)在已經(jīng)做了修改。

‘溫度轉(zhuǎn)換為電壓值

Private Function TempToV（t As Double）

Dim C（9） As Double

Dim a1 As Double

Dim a0 As Double

C（0） = -0.017600413686

C（1） = 0.038921204975

C（2） = 0.000018558770032

C（3） = -9.9457592874E-08

C（4） = 3.1840945719E-10

C（5） = -5.6072844889E-13

C（6） = 5.6075059059E-16

C（7） = -3.2020720003E-19

C（8） = 9.7151147152E-23

C（9） = -1.2104721275E-26

a0 = 0.1185976

a1 = -0.0001183432

V = 0

If t = 0 Then

TempToV = 0

Else

For I = 0 To 9

V = V + C（I） * t ^ I

Next

TempToV = V + a0 * Exp（a1 * （t - 126.9686） ^ 2）

End If

End Function

’電壓值轉(zhuǎn)溫度 K型熱電偶反函數(shù)

Function VtoTemp（V As Double） As Double ‘V為mV單位

’Dim V As Double

‘-5.891mV~0（-200℃~0℃）

Dim C2（10） As Double

C2（0） = 0

C2（1） = 25.173462

C2（2） = -1.1662878

C2（3） = -1.0833638

C2（4） = -0.8977354

C2（5） = -0.37342377

C2（6） = -0.086632643

C2（7） = -0.010450598

C2（8） = -0.00051920577

’0.~20.644mV（0℃~500℃）

Dim C0（9） As Double

C0（0） = 0

C0（1） = 25.08355

C0（2） = 0.07860106

C0（3） = -0.2503131

C0（4） = 0.0831527

C0（5） = -0.01228034

C0（6） = 0.0009804036

C0（7） = -0.0000441303

C0（8） = 0.000001057734

C0（9） = -0.00000001052755

‘20.644~54.886（500℃~1372℃）

Dim C1（6） As Double

C1（0） = -131.8058

C1（1） = 48.30222

C1（2） = -1.646031

C1（3） = 0.05464731

C1（4） = -0.0009650715

C1（5） = 0.000008802193

C1（6） = -0.0000000311081

Dim Temp As Double

If V 《 0 Then ’-5.891mV（-200）

For i = 0 To 8

Temp = Temp + C2（i） * V ^ i

Next

ElseIf V 》= 0 And V 《 20.644 Then

For i = 0 To 9

Temp = Temp + C0（i） * V ^ i

Next

ElseIf V 》= 20.644 Then ‘54.866（1372）

For i = 0 To 6

Temp = Temp + C1（i） * V ^ i

Next

End If

VtoTemp = Temp

End Function