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    文章詳情

    溫度測量與熱電偶冷端補(bǔ)償

    日期:2025-05-01 15:32
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    摘要:
    溫度測量與熱電偶冷端補(bǔ)償
      
     
    溫度測量是測量領(lǐng)域*重要的功能之一,頻繁應(yīng)用于氣象觀測、環(huán)境研究、實(shí)驗(yàn)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(bǔ)償相關(guān)知識。
     
    熱電偶測溫的基本原理:兩個(gè)不同導(dǎo)體A與B串接成一個(gè)閉合回路,如圖a所示,當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)的溫度不同時(shí)(設(shè)T>T0),回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)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(xué)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(diǎn)稱為測量端,習(xí)慣上又叫做熱端。另一接點(diǎn)稱為參考端,習(xí)慣上又叫冷端。




    熱電動(dòng)勢的測量:熱電動(dòng)勢包括接觸電勢和溫差電勢。溫差電勢遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)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。


    熱電動(dòng)勢的測量


    在理解熱電偶測溫原理時(shí)我們需要知道熱電偶的幾個(gè)特性:
      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,回路總熱電勢等于零。
      2. 如果熱電偶兩接點(diǎn)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(diǎn)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(shí),只要這根導(dǎo)體的兩端溫度相同,則不會(huì)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(jìn)行溫度測量時(shí),熱電偶的冷端補(bǔ)償是必不可少的。那為什么要進(jìn)行冷端補(bǔ)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(shí)際運(yùn)用中,熱電偶冷端受環(huán)境溫度波動(dòng)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)的電動(dòng)勢,要求工作時(shí),保持0℃,這樣熱電勢才能正確反映熱端溫度大小,否則就會(huì)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(dòng)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(diǎn):

    類型

    優(yōu)點(diǎn)

    缺點(diǎn)

    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(bǔ)償導(dǎo)線。
    3. 極好的耐酸性和耐化學(xué)性。
    1. 中低溫范圍內(nèi)導(dǎo)熱性低,600℃或600℃以下時(shí)無法進(jìn)行測量。
    2. 低靈敏度。
    3. 低溫差電動(dòng)勢線性。
    4. 價(jià)格昂貴。

    R/S

    1. 高**性和低變更、低退化性。
    2. 極好的耐酸性和耐化學(xué)性。
    3. 可作為標(biāo)準(zhǔn)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(bǔ)償導(dǎo)線錯(cuò)誤。
    4. 價(jià)格昂貴。

    N

    1. 具有極好的溫差電動(dòng)勢線性。
    2. 在1200℃或1200℃以下具有極好的耐酸性。
    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. 具有極好的溫差電動(dòng)勢線性。
    2. 在1000℃或1000℃以下具有極好的耐酸性。
    3. 在賤金屬熱電偶中具有極好的穩(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(cuò)誤影響。

    E

    1. 是當(dāng)前*靈敏的熱電偶。
    2. 具備比J類型更好的耐熱性。
    3. 兩個(gè)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. 具有極好的溫差電動(dòng)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(cuò)誤。
     
    電阻由極細(xì)的金屬線構(gòu)成,主要使用鉑、銅和鎳等材料。符合JIS標(biāo)準(zhǔn)的熱電阻只能由鉑制成。熱電阻由于和熱電偶的測溫原理完全不同,所以它具備一些自己的特征,具體如下:
        1. 不能進(jìn)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(jī)械強(qiáng)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(qiáng)。
        8. 導(dǎo)線電阻會(huì)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(shí)100Ω的鉑電阻,當(dāng)溫度升高至100℃時(shí),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(gè)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(shí)會(huì)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(huì)變得很困難。所以,一般情況下使用2mA,高精度測量時(shí)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(huì)采用三線制或四線制補(bǔ)償電路。




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




    四線制測溫時(shí),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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