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熱電偶溫度傳感器的工作原理及測量

熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質導體組成閉合回路,當兩端存在溫度梯度時,回路中就會有電流通過,此時兩端之間就存在電動勢——熱電動勢,這就是所謂的塞貝克效應。兩種不同成份的均質導體為熱電極,溫度較高的一端為工作端,溫度較低的一端為自由 端,自由端通常處於某個恒定的溫度下。根據熱電動勢與溫度的函數關系, 制成熱電偶分度表; 分度表是自由端溫度在0℃時的條件下得到的,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,隻要該材料兩個接點的溫度相同,熱電偶所產生的熱電勢將保持不變,即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此,在熱電偶測溫時,可接入測量儀表,測得熱電動勢後,即可知道被測介質的溫度。

熱電偶溫度傳感器的工作原理

  兩種不同成份的導體(稱為熱電偶絲材或熱電極)兩端接合成回路,當接合點的溫度不同時,在回路中就會產生電動勢,這種現象稱為熱電效應,而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的,其中,直接用作測量介質溫度的一端叫做工作端(也稱為測量端),另一端叫做冷端(也稱為補償 端);冷端與顯示儀表或配套儀表連接,顯示儀表會指出熱電偶所產生的熱電勢。

  熱電偶實際上是一種能量轉換器,它將熱能轉換為電能,用所產生的熱電勢測量溫度,對於熱電偶的熱電勢,應註意如下幾個問題:

  1:熱電偶的熱電勢是熱電偶工作端的兩端溫度函數的差,而不是熱電偶冷端與工作端,兩端溫度差的函數;

  2 :熱電偶所產生的熱電勢的大小,當熱電偶的材料是均勻時,與熱電偶的長度和直徑無關,隻與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關;

  3:當熱電偶的兩個熱電偶絲材料成份確定後,熱電偶熱電勢的大小,隻與熱電偶的溫度差有關;若熱電偶冷端的溫度保持一定,這進熱電偶的熱電勢僅 是工作端溫度的單值函數。將兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來,構成一個閉合回路,如圖所示。當導體A和B的兩個執著點1和2之間存在溫差時,兩 者之間便產生電動勢,因而在回路中形成一個大小的電流,這種現象稱為熱電效應。熱電偶就是利用這一效應來工作的。 

  溫度是對物體樣本中粒子平均動能的測量方式,其標準單位是“度”。溫度可以通過不同方法進行測量,測量的成本和精確度也因此各不相同。熱電偶就是其中一種常見的測量溫度的傳感器,因為熱電偶相對而言價格便宜而且精確度高,並且其測量范圍相對較寬。  每當兩個不同的金屬接觸,接觸點聚會產生一個以溫度為函數的較低的空載電壓,這就是熱電效應。這個溫差電壓就是Seebeck電壓,以1821年發現該現象的物理學傢ThomasSeebeck命名。該電壓相對於溫度是非線性的,但是對於小范圍內的變化溫度可以近似的認為是線性的,或者:

(1)  式中,?V是電壓變化,S是Seebeck系數,而?T是溫度變化。  熱電偶的類型有很多種,並且都根據美國國傢標準學會(ANSI)公約規定,由大些字母註明其成分。例如,J型熱電偶由一個鐵制導體和一個銅鎳合金導體構成。熱電偶的其他類型包括B,E,K,N,R,S,和T。如何測量熱電偶  為瞭更好地理解如何進行熱電偶測量,必須先瞭解熱電偶工作原理。本文檔的第一部分將解釋熱電偶的基本原理,以後部分將陸續講解如何實現熱電偶同儀器之間的連接以及如何進行溫度測量。  熱電偶Seebeck電壓如果直接連到測量系統上連接到測量系統上會產生附加溫差電路,因此不能通過簡單地同電壓表或者其他測量系統連接而進行測量。

圖1.J型熱電偶

  如圖1所示,電路中使用J型熱電偶對燭火溫度進行測量。兩個熱電偶線路同數據采集設備的銅質接線端子連接。註意該電路中有三個金屬連接口——J1,J2和J3。J1是熱電偶測量點,產生一個同燭火溫度成比例的Seebeck電壓。除此之外J2和J3每個都有各自的Seebeck系數,並在數據采集終端都會產生一個同溫度成比例的溫差電壓,稱為冷端電壓。為瞭確定J1的電壓分量,就需要知道J2和J3接點的溫度,並且知道接點電壓和溫度之間的關系。這樣,就可以通過從測量電壓中減去J2和J3寄生結電壓分量而得到J1接點的電壓。  熱電偶需要一個特定的溫度基準來補償該冷端產生的誤差。最常用規定方法就是使用可直接讀取的溫度傳感器測量得到參考端溫度,減去寄生端電壓分量。這個處理方法被稱為冷端補償,可以利用某些熱電偶的特性來簡化計算冷端補償。  通過使用金屬過渡層的熱電偶定律以及其他假設條件,我們可知電壓數據采集系統的測量隻取決於熱電偶類型,測量端電壓和冷端溫度。測量電壓同測量導線和冷端J2、J3的電壓分量無關。

圖2.金屬過渡層熱電偶定律

  考慮圖3中電路。該電路同前文圖1中所描述的電路相似,但是在J3接點前插入瞭一小段銅鎳合金導線。所有接點處於同樣的溫度條件下。假定J3和J4接點溫度相同,金屬過渡層熱電偶定律說明圖3中的電路同圖1中的電路在電氣理論上是相同的。所以,圖3電路所測得的任何結果都適用於圖1所示電路。

圖3.在等溫環境中插入一個附加導線

  圖3中,J2和J4接點屬於同一類型(銅鎳合金);因為兩者處於等溫環境,J2和J4也是同樣的溫度。因為電路中電流方向緣故,J4端產生一個Seebeck正電壓,J2端產生一個Seebeck負電壓。因此,接點抵消瞭相互之間的影響,測量電壓的總量就為零。J1和J3接點都是鐵—銅鎳合金接點。但是他們的溫度可能不同,因為他們可能不是在等溫環境中。因為他們處於不同溫度環境下,J1和J3接點都可以產生Seebeck電壓,但是大小不同。為瞭補償冷端J3,測量其溫度並將其作用電壓從熱電偶測量中減去。  使用VJx(Ty)符號表示Jx接點在Ty溫度時所產生的電壓,一般熱電偶問題簡化成下式:VMEAS=VJ1(TTC)+VJ3(Tref)(2)  式中,VMEAS表示數據采集系統測量得到的電壓值,TTC表示J1接點熱電偶的溫度,Tref表示基準端的溫度。  註意到在(2)式中,VJx(Ty)表示的是就某個基準溫度而言在Ty溫度環境下所產生的電壓。隻要VJ1和VJ3是與同一個基準溫度相關的溫度函數,2式就成立。例如,如前文所述的NIST熱電偶參照表就是將基準端保持在0攝氏度情況下生成的。  因為J3和J1是同類型的,但是產生相對電壓,所以VJ3(Tref)=-VJ1(Tref)。又因為VJ1是熱電偶類型測試狀態下產生的電壓,所以該電壓可以重命名為VTC。因此,2式可以改寫成下式:VMEAS=VTC(TTC)-VTC(Tref)(3)  因此,通過測量VMEAS和Tref知道瞭熱電偶電壓同溫度的關系,就能夠確定熱電偶測量端的溫度。  現有兩種實現冷端補償的技術——硬件補償和軟件補償。兩種技術都需要使用可直接讀取傳感器得到基準端溫度。可直接讀取傳感器有一個隻由測量點溫度決定的輸入端。半導體傳感器,電熱調節器和RTD都是常用的測量基準端溫度的儀器。  使用硬件補償,可以將一個可變電壓源插入到電路中,撤銷寄生溫差電壓。可變電壓源根據環境溫度產生一個補償電壓,這樣附加到修正電壓上用來撤銷不需要的溫差信號。當這些寄生信號都被去除瞭,數據采集系統測量的唯一信號就是從熱電偶測量端測得的電壓。使用硬件補償的情況下,數據采集系統終端的溫度是不相關的,因為其中的寄生性熱電偶電壓已經被取消瞭。硬件補償的主要不足之處在於,每種熱電偶必須擁有一個分開的能夠附加修正補償電壓的補償電路,這樣就會大大增加電路的成本。通常情況下,硬件補償在精度上也不及軟件補償。  或者您可以選擇使用軟件來進行冷端補償。在使用可直接讀取傳感器測量得到基準端溫度後,軟件能夠在被測電壓上附加一個適合的電壓值來消除冷端電壓的影響。回憶(3)式中指明被測電壓VMEAS等於(熱電偶)測量端接點和冷端接點之間的電壓差值。  熱電偶輸出電壓是高度非線性的。Seebeck系數會因為一些熱電偶的運行溫度區域中三個或以上的因素而有所變化。因此,您必須使用多項式來模擬熱電偶中電壓VS溫度曲線或者使用查表法。

測量精度和溫度測量范圍的選擇  使用溫度在1300~1800℃,要求精度又比較高時,一般選用B型熱電偶;要求精度不高,氣氛又允許可用鎢錸熱電偶,高於1800℃一般選用鎢錸熱電偶;使用溫度在1000~1300℃要求精度又比較高可用S型熱電偶和N型熱電偶;在1000℃以下一般用K型熱電偶和N型熱電偶,低於400℃一般用E型熱電偶;250℃下以及負溫測量一般用T型電偶,在低溫時T型熱電偶穩定而且精度高。使用氣氛的選擇  S型、B型、K型熱電偶適合於強的氧化和弱的還原氣氛中使用,J型和T型熱電偶適合於弱氧化和還原氣氛,若使用氣密性比較好的保護管,對氣氛的要求就不太嚴格。濕度傳感器探頭,,不銹鋼電熱管PT100傳感器,,鑄鋁加熱器,加熱圈流體電磁閥耐久性及熱響應性的選擇  線徑大的熱電偶耐久性好,但響應較慢一些,對於熱容量大的熱電偶,響應就慢,測量梯度大的溫度時,在溫度控制的情況下,控溫就差。要求響應時間快又要求有一定的耐久性,選擇鎧裝偶比較合適。測量對象的性質和狀態對熱電偶的選擇  運動物體、振動物體、高壓容器的測溫要求機械強度高,有化學污染的氣氛要求有保護管,有電氣幹擾的情況下要求絕緣比較高。註意事項  熱電偶公稱壓力:一般是指在工作溫度下保護管所能承受的靜態外壓而破裂。  熱電偶最小插入深度:應不小於其保護套管外徑的8-10倍(特列產品例外)  絕緣電阻:當周圍空氣溫度為15-35℃,相對濕度<80%時絕緣電阻≥5兆歐(電壓100V)。具有防濺式接線盒的熱電偶,當相對溫度為93± 3℃ 時,絕緣電阻≥0.5兆歐(電壓100V)     高溫下的絕緣電阻:熱電偶在高溫下,其熱電極(包括雙支式)與保護管以及雙支熱電極之間的絕緣電阻(按每米計)應大於下表規定的值。

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