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熱電偶基礎(chǔ)知識(shí)

發(fā)布時(shí)間:2018-07-30 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】熱電偶是一種常見的被動(dòng)測(cè)溫元件。它也是一種有源傳感器,測(cè)量時(shí)不需外加電源,并且測(cè)量溫度范圍(高達(dá)2000°C)很廣。它可以快速響應(yīng),故系統(tǒng)運(yùn)行幾乎沒有顯著的延遲。
 
熱電偶基礎(chǔ)知識(shí)
 
熱電偶結(jié)構(gòu)圖:熱電偶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,主要由兩根金屬導(dǎo)線組成一個(gè)回路。
 
一般熱電偶產(chǎn)生的輸出電壓很小(K型為約?40μV/每°C),故需要精確的運(yùn)放支持。否則,外部噪聲(尤其是在熱電偶和測(cè)量電路之間使用長(zhǎng)導(dǎo)線時(shí))可能會(huì)使信號(hào)失真。下表顯示了一些常見的熱電偶類型和特性。
 
另一個(gè)問題是“冷端”,它是熱電偶導(dǎo)線與信號(hào)電路的線連接的地方,如同線路中的第二個(gè)熱電偶。
 
熱電偶基礎(chǔ)知識(shí)
 
為了補(bǔ)償冷端的影響,可以嘗試測(cè)量冷端溫度,并將得出的電壓加上熱電偶電壓(Vout),讓熱電偶測(cè)量端感測(cè)得出的電壓(Vcj)能正式被顯示
 
Vtc = Vout + Vcj
 
其中Vtc = 由熱電感得到的電壓
 
Vcj =于“冷端”得出的電壓
 
以下是典型的熱電偶補(bǔ)償電路。溫度傳感器位于冷端進(jìn)行監(jiān)視,ADC以所需的分辨率提供輸出數(shù)據(jù)。
 
熱電偶基礎(chǔ)知識(shí)
 
(來源:Digi-Key)
 
更多資料:
 
熱電偶測(cè)量原理
 
熱電偶是常見的溫度測(cè)量元件,熱電偶原理比較簡(jiǎn)單,它直接把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào),通過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度,雖然原理簡(jiǎn)單,但測(cè)量并不簡(jiǎn)單。
 
熱電偶測(cè)溫原理
 
熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩部分組成。
 
接觸電勢(shì):兩種不同材料的導(dǎo)體,其電子密度是不同的。當(dāng)兩種不同材料的導(dǎo)體兩端接合在一起時(shí),在連接處,會(huì)發(fā)生電子擴(kuò)散,電子擴(kuò)散的速率與自由電子的密度以及導(dǎo)體的溫度成正比。于是就在連接處形成電位差,即接觸電勢(shì)。
 
溫差電勢(shì):當(dāng)一根導(dǎo)體的兩端溫度不同時(shí),在導(dǎo)體內(nèi)部?jī)啥说淖杂呻娮酉嗷U(kuò)散的速率不同,這個(gè)在高低溫端之間一個(gè)靜電場(chǎng)。此時(shí)導(dǎo)體上產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電位差,稱為溫差電勢(shì)。此電勢(shì)只與導(dǎo)體的性質(zhì)和導(dǎo)體兩端的溫度有關(guān),與導(dǎo)體的長(zhǎng)度、截面大小、沿導(dǎo)體長(zhǎng)度上的溫度分布無關(guān)。
 
熱電偶的示意圖
 
熱電偶基礎(chǔ)知識(shí)
圖1 熱電偶的示意圖
 
熱電偶的測(cè)量電路圖
 
熱電偶基礎(chǔ)知識(shí)
圖2 熱電偶的測(cè)量電路圖
 
直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端(也稱為測(cè)量端),另一端叫做冷端(也稱為補(bǔ)償端);冷端與顯示儀表或配套儀表連接,顯示儀表會(huì)指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)。
 
在實(shí)際熱電偶的測(cè)量中,熱電偶的測(cè)量電路一般由熱電偶(A、B兩種導(dǎo)體)、連接導(dǎo)線C和測(cè)量?jī)x器組成。測(cè)量時(shí)將熱電偶置于被測(cè)環(huán)境中,如圖2所示,形成有J1、J2、J3三個(gè)接觸電勢(shì),以及兩個(gè)溫差電勢(shì),整個(gè)熱電偶的電勢(shì)由這幾部分構(gòu)成。
 
為了更好的理解這幾部分的電勢(shì),我們需要了解一個(gè)定律:中間導(dǎo)體定律。
 
中間導(dǎo)體定律:在熱電偶回路中接入中間導(dǎo)體(第三導(dǎo)體),只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同,中間導(dǎo)體的引入對(duì)熱電偶回路總電勢(shì)沒有影響。
 
由中間導(dǎo)體定義推導(dǎo)出:
 
1、組成熱電偶回路的兩種導(dǎo)體材料相同時(shí),無論兩接點(diǎn)溫度如何,回路總熱電勢(shì)等于零。
 
2、如果熱電偶兩接點(diǎn)的溫度相同,則盡管導(dǎo)體A,B材料不同,熱電偶回路的總電勢(shì)亦為零。
 
所以J2和J3處于同一溫度點(diǎn),接觸電勢(shì)等于零。同時(shí),在測(cè)量時(shí),為了消除溫差電勢(shì)對(duì)測(cè)量影響,我們對(duì)連接導(dǎo)線C會(huì)有比較嚴(yán)格的要求,連接導(dǎo)線C我們稱之為補(bǔ)償導(dǎo)線,補(bǔ)償導(dǎo)線實(shí)際上是同分度熱電偶是同材質(zhì)的導(dǎo)線,這樣回路中溫差電勢(shì)也為零。這樣整個(gè)回路的電勢(shì)只與J1的電勢(shì)有關(guān)。由于熱電偶技術(shù)條件都是指冷端(非工作端)處在0℃時(shí)的電動(dòng)勢(shì),要求工作時(shí),保持0℃,這樣熱電勢(shì)才能正確反映熱端溫度大小,否則就會(huì)產(chǎn)生誤差。為了修正在室溫下的測(cè)量誤差,熱電偶一般進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
 
熱電偶的溫度補(bǔ)償
 
熱電偶冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ饕校?/div>
 
01 冷端恒溫法
 
這種方法將熱電偶的冷端放在恒溫場(chǎng)合,有0℃恒溫器和其他恒溫器兩種。
 
02 電橋補(bǔ)償法
 
熱電偶經(jīng)補(bǔ)償導(dǎo)線接至補(bǔ)償電橋,熱電偶冷端與電橋處于同一環(huán)境溫度中,利用不平衡電壓來自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化值。
 
03 計(jì)算修正法
 
由于熱電偶E-T之間通常呈非線性關(guān)系,當(dāng)冷端溫度不為0攝氏度時(shí),不能利用已知回路實(shí)際熱電勢(shì)E(t,t0)直接查表求取熱端溫度值;也不能利用已知回路實(shí)際熱電勢(shì)E(t,t0)直接查表求取的溫度值,再加上冷端溫度確定熱端被測(cè)溫度值,需按中間溫度定律進(jìn)行修正。
 
中間溫度定律:熱電偶回路兩接點(diǎn)(溫度為T、T0)間的熱電勢(shì),等于熱電偶在溫度為T、Tn時(shí)的熱電勢(shì)與在溫度為Tn、T0時(shí)的熱電勢(shì)的代數(shù)和。Tn稱中間溫度。
 
熱電偶的測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)
 
熱電偶的測(cè)量相對(duì)熱電阻來說要復(fù)雜得多,但是以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。
 
1、測(cè)量精度高。因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸,不受中間介質(zhì)的影響。
 
2、測(cè)量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均連續(xù)測(cè)量,某些特殊熱電偶最低可測(cè)到-269℃(如金鐵鎳鉻),最高可達(dá)+2800℃(如鎢-錸)。
 
3、構(gòu)造簡(jiǎn)單,使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成,而且不受大小的限制,外有保護(hù)套管,用起來非常方便。
 
熱電偶四大基本定律及證明
 
熱電偶的基本定律包括均質(zhì)導(dǎo)體定律、中間導(dǎo)體定律、中間溫度定律以及參考電極定律,熱電偶的這四大基本定律對(duì)熱電偶的應(yīng)用有及其重要的作用。
 
均質(zhì)導(dǎo)體定律
 
定義:由同一種均質(zhì)材料(導(dǎo)體或半導(dǎo)體)兩端焊接組成閉合回路,無論導(dǎo)體截面如何以及溫度如何分布,將不產(chǎn)生接觸電勢(shì),溫差電勢(shì)相抵消,回路中總電勢(shì)為零。
 
可見,熱電偶必須由兩種不同的均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體構(gòu)成。若熱電極材料不均勻,由于溫度梯存在,將會(huì)產(chǎn)生附加熱電勢(shì)。
 
證明:熱電偶的電勢(shì)由兩個(gè)接觸電勢(shì)和兩個(gè)溫差電勢(shì)構(gòu)成。即:
 
熱電偶基礎(chǔ)知識(shí)
 
由于材料相同,沒有接觸電勢(shì);而溫差電勢(shì)為大小相同,方向相反的兩個(gè)電勢(shì),相互抵消,也為零。
 
應(yīng)用:根據(jù)這個(gè)定律,可以檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料成分是否相同(稱為同名極檢驗(yàn)法),也可以檢查熱電極材料的均勻性。
 
中間導(dǎo)體定律
 
定義:在熱電偶回路中接入中間導(dǎo)體(第三導(dǎo)體),只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同,中間導(dǎo)體的引入對(duì)熱電偶回路總電勢(shì)沒有影響。
 
證明:證明過程參考熱電偶中間定律的證明
 
應(yīng)用:依據(jù)中間導(dǎo)體定律,在熱電偶實(shí)際測(cè)溫應(yīng)用中,常采用熱端焊接、冷端開路的形式,冷端經(jīng)連接導(dǎo)線與顯示儀表連接構(gòu)成測(cè)溫系統(tǒng)。例如,用銅導(dǎo)線連接熱電偶冷端到儀表讀取mV值,在導(dǎo)線與熱電偶連接處產(chǎn)生的接觸電勢(shì)是不會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生附加誤差。再比如可以將熱電偶的兩端不焊接而直接插入液態(tài)金屬中或直接焊在金屬表面進(jìn)行溫度測(cè)量。
 
中間溫度定律
 
定義:熱電偶回路兩接點(diǎn)(溫度為t,t0)間的熱電勢(shì),等于熱電偶在溫度為t、tn時(shí)的熱電勢(shì)與在溫度為tn、t0時(shí)的熱電勢(shì)的代數(shù)和。tn稱中間溫度。
 
證明:
 
熱電偶基礎(chǔ)知識(shí)
 
應(yīng)用:由于熱電偶E-T之間通常呈非線性關(guān)系,當(dāng)冷端溫度不為0攝氏度時(shí),不能利用已知回路實(shí)際熱電勢(shì)E(t,t0)直接查表求取熱端溫度值;也不能利用已知回路實(shí)際熱電勢(shì)E(t,t0)直接查表求取的溫度值,再加上冷端溫度確定熱端被測(cè)溫度值,需按中間溫度定律進(jìn)行修正。初學(xué)者經(jīng)常不按中間溫度定律來修正!
 
參考電極定律
 
定義:如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)已知,則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)也就已知。
 
證明:
 
導(dǎo)體A、B分別與標(biāo)準(zhǔn)電極C組成熱電偶,若它們所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)為已知,即
 
那么,導(dǎo)體A與B組成的熱電偶,其熱電動(dòng)勢(shì)為
 
應(yīng)用:標(biāo)準(zhǔn)電極定律是一個(gè)極為實(shí)用的定律。純金屬的種類很多,而合金類型更多。因此,要得出這些金屬之間組合而成熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì),其工作量是極大的。由于鉑的物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,熔點(diǎn)高,易提純,所以,我們通常選用高純鉑絲作為標(biāo)準(zhǔn)電極,只要測(cè)得各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì),則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)就可以得到。
 
例如:熱端為100℃,冷端為0℃時(shí),鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為2.95mV,而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為-4.0mV,則鎳鉻和考銅組合而成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)則為 2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV。
 
熱電偶和熱電阻的差別
 
熱電偶簡(jiǎn)介
 
熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一,熱電偶工作原理是基于賽貝克seeback效應(yīng),即兩種不同成分的導(dǎo)體兩端連接成回路,如兩連接端溫度不同,則在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流的物理現(xiàn)象。
 
01 熱電偶基本測(cè)溫原理
 
熱電偶測(cè)溫基本原理是將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體焊接起來,構(gòu)成一個(gè)閉合回路。由于兩種不同金屬所攜帶的電子數(shù)不同,當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體的二個(gè)連接點(diǎn)之間存在溫差時(shí),就會(huì)發(fā)生高電位向低電位放電現(xiàn)象,因而在回路中形成電流,溫度差越大,電流越大,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng),也叫塞貝克效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。
 
02 熱電偶種類及結(jié)構(gòu)構(gòu)成
 
(1) 熱電偶的種類
 
常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶,它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,一般也沒有統(tǒng)一的分度表,主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。
 
標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國(guó)從1988年1月1日起,熱電偶和熱電阻全部按IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn),并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。
 
(2) 熱電偶的結(jié)構(gòu)形式為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作,對(duì)它的結(jié)構(gòu)要求如下:
 
①組成熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接必須牢固;
 
②兩個(gè)熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣,以防短路;
 
③補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠;
 
④保護(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。
 
熱電阻簡(jiǎn)介
 
熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高,性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測(cè)量精確度是最高的,它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫,而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。
 
01 熱電阻測(cè)溫原理及材料
 
熱電阻測(cè)溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測(cè)量的。熱電阻大都由純金屬材料制成,目前應(yīng)用最多的是鉑和銅,此外,現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。
 
02 熱電阻的類型
 
(1) 普通型熱電阻
 
從熱電阻的測(cè)溫原理可知,被測(cè)溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測(cè)量的,因此,熱電阻體的引出線等各種導(dǎo)線電阻的變化會(huì)給溫度測(cè)量帶來影響。
 
(2) 鎧裝熱電阻
 
鎧裝熱電阻是由感溫元件(電阻體)、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅(jiān)實(shí)體,它的外徑一般為φ2--φ8mm。與普通型熱電阻相比,它有下列優(yōu)點(diǎn):①體積小,內(nèi)部無空氣隙,熱慣性上,測(cè)量滯后小;②機(jī)械性能好、耐振,抗沖擊;③能彎曲,便于安裝;④使用壽命長(zhǎng)。
 
(3) 端面熱電阻
 
端面熱電阻感溫元件由特殊處理的電阻絲材繞制,緊貼在溫度計(jì)端面。它與一般軸向熱電阻相比,能更正確和快速地反映被測(cè)端面的實(shí)際溫度,適用于測(cè)量軸瓦和其他機(jī)件的端面溫度。
 
(4)隔爆型熱電阻
 
隔爆型熱電阻通過特殊結(jié)構(gòu)的接線盒,把其外殼內(nèi)部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發(fā)生的爆炸局限在接線盒內(nèi),生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不會(huì)引超爆炸。隔爆型熱電阻可用于Bla--B3c級(jí)區(qū)內(nèi)具有爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的溫度測(cè)量。
 
熱電阻和熱電偶的差別
 
1. 雖然都是接觸式測(cè)溫儀表,但它們的測(cè)溫范圍不同,熱電偶使用在溫度較高的環(huán)境,幾種常見熱電偶的測(cè)量范圍如下:
 
熱電偶基礎(chǔ)知識(shí)
 
除了表中的幾種熱電偶,還有J型,T型等。熱電偶一般用于500度以上的較高溫度,因它們?cè)诘蜏貐^(qū)時(shí)輸出熱電勢(shì)很小(查表可以看一下),當(dāng)電勢(shì)小時(shí),對(duì)抗干擾措施和二次表和要求很高,否則測(cè)量不準(zhǔn),還有,在較低的溫度區(qū)域,冷端溫度的變化和環(huán)境溫度的變化所引起的相對(duì)誤差就顯得很突出,不易得到全補(bǔ)償。這時(shí)在中低溫度時(shí),一般使用熱電阻測(cè)溫,范圍為-200℃~500℃,甚至還可測(cè)更低的溫度(如用碳電阻可測(cè)到1K左右的低溫)?,F(xiàn)在正常使用鉑熱電阻Pt100,在工業(yè)上也有用銅電阻,分度號(hào)為CU50和CU100,但測(cè)溫范圍較小,在-50℃~150℃之間,在一些特殊場(chǎng)合還有銦電阻,錳電阻。
 
1. 熱電偶測(cè)量溫度的基本原理是熱電效應(yīng)。二次表是一個(gè)檢伏計(jì)或?yàn)榱颂岣呔葧r(shí)使用電子電位差計(jì)。熱電阻是基于導(dǎo)體和半導(dǎo)體的電阻值隨溫度而變化的特性而工作的。
 
2. 由熱電偶測(cè)溫原理可知,只有在其冷端溫度恒定時(shí),被測(cè)溫度才與熱電勢(shì)成單值函數(shù)關(guān)系。在實(shí)際使用中,就用一種熱電特性與相應(yīng)熱電偶特性相似的廉價(jià)的連接導(dǎo)線(也稱為補(bǔ)償導(dǎo)線),使熱電偶冷端引伸到溫度相對(duì)恒定的地方(最好為0度),如用銅--康銅做補(bǔ)償導(dǎo)線來引申鎳鉻---鎳硅熱電阻。因此,熱電偶到二次表延長(zhǎng)線是兩根。熱電阻與二次表之間是用銅導(dǎo)線連接的,為了減小環(huán)境變化引起的測(cè)量誤差,一般均采用三線制接法,其中有兩根導(dǎo)線將熱電阻串聯(lián)于相鄰的兩個(gè)橋臂上,另一根導(dǎo)線是引來電源。使用時(shí)要求每根導(dǎo)線的電阻值與調(diào)整電阻之和都保證為5歐姆(±0.01)。
 
 
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