热电偶的应用

1.金属表面温度的测量

对于机械、冶金、能源、国防等部门来说，金属表面温度的测量是非常普遍而又非常复杂的问题。例如，热处理工件中锻件、铸件以及各种余热利用的热交换器表面、气体蒸气管道、炉壁面等表面温度的测量。根据对象特点，测温范围从几百摄氏度到一千多摄氏度，而测量方法通常采用直接接触测温法。

直接接触测温法是指采用各种型号及规格的热电偶 （视温度范围而定），用黏结剂或焊接的方法，将热电偶与被测金属表面 （或去掉表面后的浅槽）直接接触，然后把热电偶接到显示仪表上组成测温系统。

图9－17所示为适合不同壁面的热电偶使用方式。如果金属壁比较薄，那么一般可用胶合物将热偶丝粘贴在被测元件表面，如图9－17（a）所示。为减少误差，在紧靠测量端的地方应加足够长的保温材料保温。

如果金属壁比较厚，且机械强度又允许，则对于不同壁面，测量端的插入方式有：从斜孔内插入，如图9－17（b）所示。图9－17（c）所示为利用电动机起吊螺孔，将热电偶从孔槽内插入的方法。

图9－17 适合不同壁面的热电偶使用方式

（a）将热偶丝粘贴在被测元件表面；（b）测量端从斜孔内插入；（c）测量端从原有的孔内插入1—功率元件；2—散热片；3—薄膜热电偶；4—绝热保护层；5—车刀；6—激光加工的斜孔；7—露头式铠装热电偶测量端；8—薄壁金属保护套管；9—冷端；10—工件

2.热电堆在红外线探测器中的应用

红外线辐射可引起物体的温度上升。将热电偶置于红外辐射的聚焦点上，可根据其输出的热电势来测量入射红外线的强度，如图9－18所示。

图9－18 红外辐射探测器结构示意图

1—透镜；2—外壳；3—热电偶；4—冷端

单根热电偶的输出十分微弱。为了提高红外辐射探测器的探测效应，可以将许多对热电偶相互串联起来，即第一根负极接第二根正极，第二根负极再接第三根正极，依此类推。它们的冷端置于环境温度中，热端发黑 （提高吸热效率），集中在聚焦区域，就能成倍地提高输出热电势，这种接法的热电偶称为热电堆，如图9－19所示。

3.热电偶的校验

热电偶在使用过程中，尤其在高温作用下，热电偶不断地受到氧化、腐蚀而引起热电特性的变化，使测量误差不断地扩大。为此，需要对热电偶进行定期校验，以确定其误差的大小。当误差超过规定时，需要更换热电偶，经校验后再使用。热电偶校验是个重要工作，必须按有关规定执行。

图9－19 热电堆

知识拓展

集成温度传感器

集成温度传感器是一种将感温元件、放大电路、温度补偿电路等功能集成在一块极小芯片上的温度传感器。它是目前传感器发展的方向，跟传统的热电阻、热电偶相比，它具有线性度好、灵敏度高、体积小、稳定性好、输出信号大且规范化等优点，尤其线性度好、输出信号大且规范化是其他温度传感器无法比拟的。

集成温度传感器的测温范围一般为－55℃～150℃，其具体数值因型号和封装形式不同而异，主要用于环境空间温度的检测、控制，以及家用电器中温度的检测、控制和补偿。

集成温度传感器按输出量不同可分为电压型和电流型两种，其中电压型的灵敏度一般为10m V／℃，电流型的灵敏度为1μA／℃。这种传感器还具有绝对零度时输出电量为零的特性，利用这一特性可制作绝对温度测量仪。表9－8给出了几种集成温度传感器的一些基本性能参数。

表9－8 几种集成温度传感器的一些基本性能参数

续表

电压型集成温度传感器的优点是具有良好的线性度，输出阻抗低，易于定标，易与控制电路接口。它可用于温度检测，也可用于热电偶的冷端温度补偿和空气流速检测。

电流型集成温度传感器在一定温度下相当于一个恒流源，因此，它具有不易受接触电阻、引线电阻和噪声的干扰，能实现长距离 （200m）传输的特点，同样具有很好的线性特性。美国AD公司的AD590就是电流型集成温度传感器的典型代表产品。

知识拓展

温度传感器的选用

要确保传感器指示的温度即为所测对象的温度，常常是很困难的。在大多数情况下，对温度传感器的选用，需考虑以下几个方面的问题：

①被测对象的温度是否需记录、报警和自动控制，是否需要远距离测量和传送。

②测温范围的大小和精度要求。

③测温元件大小是否适当。

④在被测对象温度随时间变化的场合，测温元件的滞后能否适应测温要求。

⑤被测对象的环境条件对测温元件是否有损害。

⑥价格如何，使用是否方便。

图9－20所示为一般工业用温度传感器的选型原则。

图9－20 一般工业用温度传感器的选型原则

先导案例解决

燃气热水器防熄火、防缺氧示意图如图9－21所示。

当使用者打开热水龙头时，自来水压力使燃气分配器中的引火管输气孔在较短的一段时间里与燃气管道接通，喷射出燃气。与此同时高压点火电路发出10～20k V的高电压，通过放电针点燃主燃烧室火焰。热电偶1被烧红，产生正的热电势，使电磁阀线圈 （该电磁阀的电动力由极性电磁铁产生，对正向电压有很高的灵敏度）得电，燃气改由电磁阀进入主燃烧室。

当外界氧气不足时，主燃烧室不能充分燃烧 （此时将产生大量有毒的一氧化碳），火焰变红且上升，在远离火孔的地方燃烧 （称为离焰）。热电偶1的温度必然降低，热电势减小，而热电偶2被加长的火焰加热，产生的热电势与热电偶1产生的热电势反向串联，相互抵消，流过电磁阀线圈的电流小于额定电流，甚至产生反向电流，使电磁阀关闭，起到缺氧保护作用。

图9－21 燃气热水器防熄火、防缺氧示意图

1—燃气进气管；2—引火管；3—高压放电针；4—主燃烧器；5—电磁阀线圈A1，B1—热电偶1；A2，B2—热电偶2

当启动燃气热水器时，若某种原因无法点燃主燃烧室火焰，由于电磁阀线圈得不到热电偶1提供的电流，处于关闭状态，从而避免了煤气的大量溢出。煤气灶熄火保护装置也采用相似的原理。