熱電偶

熱電偶（thermocouple）是溫度測(cè)量?jī)x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(jiǎn)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(wú)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?jī)x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?jī)x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。

在直接還原的回轉(zhuǎn)窯中需要對(duì)回轉(zhuǎn)窯筒體（也稱回轉(zhuǎn)窯旋轉(zhuǎn)體）內(nèi)多個(gè)位置進(jìn)行溫度測(cè)量。溫度測(cè)量一般是通過熱電偶實(shí)現(xiàn)，熱電偶需要正負(fù)極兩個(gè)滑環(huán)供電，才能實(shí)現(xiàn)熱電偶的溫度信號(hào)釆集。

大概需要個(gè)不同位置的溫度值，因此就需要在這個(gè)位置設(shè)置個(gè)熱電偶，用于測(cè)量對(duì)應(yīng)位置的溫度。由于每個(gè)熱電偶需要兩個(gè)滑環(huán)（—個(gè)正極滑環(huán)和一個(gè)負(fù)極滑環(huán)），用于采集該熱電偶的溫度信號(hào)，因此，在現(xiàn)有回轉(zhuǎn)窯的筒體La上就需要安裝個(gè)滑環(huán)，來(lái)滿足個(gè)熱電偶溫度信號(hào)采集要求。

由于滑環(huán)為圓環(huán)結(jié)構(gòu)，套裝在回轉(zhuǎn)窯的筒體外，再通過幾個(gè)或幾十個(gè)支座進(jìn)行固定。滑環(huán)隨著回轉(zhuǎn)窯的筒體—起轉(zhuǎn)動(dòng)，電刷被固定安裝在工作臺(tái)上，滑環(huán)在隨回轉(zhuǎn)窯的筒體轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，需要與電刷實(shí)時(shí)保持接觸，為與該滑環(huán)相連的熱電偶提供溫度信號(hào)傳遞的通路。

由于回轉(zhuǎn)窯的筒體直徑一般為幾米的圓柱體，這樣對(duì)于滑環(huán)的制造和安裝精度就提出了很高的要求。而且整個(gè)回轉(zhuǎn)窯筒體需要滿足個(gè)滑環(huán)的安裝要求，是十分困難的。另外滑環(huán)為銅質(zhì)材料制成，制造成本很高，使得整個(gè)回轉(zhuǎn)窯的成本很高。因此，如何提供一種熱電偶滑環(huán)裝置，既能滿足取熱電偶溫度信號(hào)的使用要求，又可以降低整個(gè)回轉(zhuǎn)窯的成本，是本領(lǐng)域技術(shù)人員需要解決的技術(shù)問題。