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      溫度測量與熱電偶冷端補償

      2013年12月25日 10:28:49人氣:805來源:深圳市華倫康盛科技有限公司

      溫度測量與熱電偶冷端補償

      溫度測量

      溫度測量是測量領(lǐng)域zui重要的功能之一,頻繁應(yīng)用于氣象觀測、環(huán)境研究、實驗室以及其他各種生產(chǎn)過程。在特定條件下的產(chǎn)品制造與工業(yè)質(zhì)量保持穩(wěn)定方面,溫度測量是基礎(chǔ)且十分重要。因此,本文將描述工業(yè)領(lǐng)域溫度測量中廣泛使用的溫度傳感器的熱電偶和電阻溫度傳感器(RTD)的測量原理及熱電偶冷端補償相關(guān)知識。
      熱電偶

      熱電偶測溫的基本原理: 兩個不同導(dǎo)體A與B串接成一個閉合回路,如圖a所示,當兩個接點的溫度不同時(設(shè)T>T0),回路中就會產(chǎn)生熱電動勢,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。這種現(xiàn)象是1821年德國科學家賽貝克(T.Seebeck)發(fā)現(xiàn)的,所以又稱塞貝克效應(yīng)。






      熱電偶的基本構(gòu)成: 導(dǎo)體的A和B稱為熱電偶的熱電極。放置在被測對象中的接點稱為測量端,習慣上又叫做熱端。另一接點稱為參考端,習慣上又叫冷端。




      熱電動勢的測量: 熱電動勢包括接觸電勢和溫差電勢。溫差電勢遠比接觸電勢小,可以忽略。這樣閉合回路中的總熱電勢可近似為接觸電勢。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)把熱電勢EAB(T,T0)和溫度T的關(guān)系繪成曲線或列成表格(分度表),則只要用儀表測得熱電勢,就可以求出被測溫度T。




      在理解熱電偶測溫原理時我們需要知道熱電偶的幾個特性:
        1. 組成熱電偶回路的兩種導(dǎo)體材料相同時,無論兩接點溫度如何,回路總熱電勢等于零。
        2. 如果熱電偶兩接點的溫度相同,T=T0,則盡管導(dǎo)體A,B材料不同,熱電偶回路的總電勢亦為零。
            熱電偶回路的總電勢僅與兩接點溫度有關(guān),與A、B材料的中間溫度無關(guān)。
        3. 在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體時,只要這根導(dǎo)體的兩端溫度相同,則不會影響原來回路的
            總熱電勢。這一性質(zhì)稱為中間導(dǎo)體定律。




      在用熱電偶絲進行溫度測量時,熱電偶的冷端補償是*的。那為什么要進行冷端補償呢?從熱電偶的測溫原理知道,熱電偶熱電勢大小不但與熱端溫度有關(guān),而且與冷端溫度有關(guān)。只有在冷端溫度恒定的情況下,熱電勢才能正確反映熱端溫度大小。在實際運用中,熱電偶冷端受環(huán)境溫度波動的影響較大,因此冷端溫度不可能恒定,而要保持輸出電勢是被測溫度的單一函數(shù)值,必須保持一個節(jié)點溫度恒定。熱電偶技術(shù)條件都是指冷端(非工作端)處在0℃時的電動勢,要求工作時,保持0℃,這樣熱電勢才能正確反映熱端溫度大小,否則就會產(chǎn)生誤差。




      有很多種可用于測量溫度的熱電偶類型,它們的溫度電動勢特性如下圖:




      下表總結(jié)了典型的熱電偶類型及其優(yōu)缺點:

      類型

      優(yōu)點

      缺點

      B

      1. 適用于1000℃或以上的高溫測量。
      2. 室溫下具有非常低的導(dǎo)熱性,無需補償導(dǎo)線。
      3. *的耐酸性和耐化學性。
      1. 中低溫范圍內(nèi)導(dǎo)熱性低,600℃或600℃以下時無法進行測量。
      2. 低靈敏度。
      3. 低溫差電動勢線性。
      4. 價格昂貴。

      R/S

      1. 高性和低變更、低退化性。
      2. *的耐酸性和耐化學性。
      3. 可作為標準使用。
      1. 低靈敏度。
      2. 易受還原氣氛影響(尤其是氫氣或金屬蒸氣)。
      3. 導(dǎo)致重大的補償導(dǎo)線錯誤。
      4. 價格昂貴。

      N

      1. 具有*的溫差電動勢線性。
      2. 在1200℃或1200℃以下具有*的耐酸性。
      3. 不受短程排序影響。
      1. 不適用于還原氣氛。
      2. 與貴金屬熱電偶相比,易遭受大的長期的改變。

      K

      1. 具有*的溫差電動勢線性。
      2. 在1000℃或1000℃以下具有*的耐酸性。
      3. 在賤金屬熱電偶中具有*的穩(wěn)定性。
      1. 不適用于還原氣氛。
      2. 與貴金屬熱電偶相比,易遭受大的長期的改變。
      3. 易受短程排序?qū)е碌腻e誤影響。

      E

      1. 是當前zui靈敏的熱電偶。
      2. 具備比J類型更好的耐熱性。
      3. 兩個支架都是無磁的。
      1. 不適用于還原氣氛。
      2. 有輕微磁滯現(xiàn)象。

      J

      1. 可用于還原氣氛。
      2. 導(dǎo)熱性高出K類型約20%。
      1. 正極(“+”)鐵支架易生銹。
      2. 特性不穩(wěn)定。

      T

      1. 具有*的溫差電動勢線性。
      2. 在低溫下仍有很好的特性。
      3. 質(zhì)量變化小。
      4. 可用于還原氣氛。
      1. 低使用限制。
      2. 正極(“+”)銅支架易氧化。
      3. 導(dǎo)致重大的熱傳導(dǎo)錯誤。

      熱電阻

      電阻由極細的金屬線構(gòu)成,主要使用鉑、銅和鎳等材料。符合JIS標準的熱電阻只能由鉑制成。熱電阻由于和熱電偶的測溫原理*不同,所以它具備一些自己的特征,具體如下:
          1. 不能進行650℃以上的高溫測量。
          2. 測量靈敏度約為熱電偶的10倍。
          3. 能夠長期穩(wěn)定測量。
          4. 機械強度低。
          5. 響應(yīng)慢,不易測量微小或狹窄的部分。
          6. 通過測量電流產(chǎn)生熱量。
          7. 抗干擾性強。
          8. 導(dǎo)線電阻會導(dǎo)致測量誤差。

      熱電阻的溫度電阻率特性如下圖:




      金屬的電阻值隨著溫度的升高而增加,0℃時100Ω的鉑電阻,當溫度升高至100℃時,電阻值為138.5Ω。即溫度每上升或下降一度,電阻變化0.385Ω。

      熱電阻的測溫原理: 熱電阻中通過一定的電流,用熱電阻兩端的電壓值除以這個電流值就可以求得熱電阻的電阻值,然后將其換算成溫度。




      電路中的電流分為三種: 0.5mA、1mA和2mA三種。電流值超過容許電流時會導(dǎo)致自身加熱,從而容易產(chǎn)生測量誤差。相反,如果電流過小,則產(chǎn)生的電壓變低,測量就會變得很困難。所以,一般情況下使用2mA,高精度測量時使用0.5mA或1mA。

      為了克服由于導(dǎo)線電阻對溫度測量造成的誤差,一般會采用三線制或四線制補償電路。




      三線制測溫時,線上電阻rA和rB阻值相抵,如果近似相等時rA-rB為零




      四線制測溫時,在測量電路上加載恒定電流i,在測熱電阻電壓的內(nèi)線電路中保證只測量電壓,而無電流通過。

      三線制與四線制的區(qū)別在于精度: 四線制較三線制測量精度更高,而四線制需要多一根電纜,成本較三線制更高。
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