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熱電偶的测温原理是什么

2018-12-15 17:15作者:上海自動化儀表三廠浏覽數:15

  两种不同材料的导体(或半导体)组成一个闭合回路,当两接点温度t和t0不同时,则在该回路中就会产生电动势,这种现象称为热电效应,该电动势称为热电势。这两种不同材料的导体或半导体的组合称为熱電偶,导体A、B称为热电极。两个接点,一个称热端,又称测量端或工作端,测温时将它置于被测介质中;另一个称冷端,又称参比端或自由端,它通过导线与显示仪表相连。

  接觸電勢是由于兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。兩種導體接觸時,自由電子由密度大的導體向密度小的導體擴散,在接觸處失去電子一側帶正電,得到電子一側帶負電,擴散達到動平衡時,在接觸面的兩側就形成穩定的接觸電勢。接觸電勢的數值取決于兩種不同導體的性質和接觸點的溫度。兩接點的接觸電勢eAB(t)和eAB(t0)可表示爲:

  eAB(t)=(Kt/e)ln(NAt/NBt)

  eAB(t0)=(Kt0/e)ln(NAt0/NBt0)

  式中:K——波爾茲曼常數,等于1.38E-6格爾/℃:

  e——單位電荷,等于4.802E-10絕對經典單位;

  NAt、NBt和NAt0、NBt0——溫度分別爲t和t0時,A、B兩種材料的電子密度。

  溫差電勢是同一導體的兩端因其溫度不同而産生的一種電動勢。同一導體的兩端溫度不同時,高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大,因而從高溫端跑到低溫端的電子數比從低溫端跑到高溫端的要多,結果高溫端因失去電子而帶正電,低溫端因獲得多余的電子而帶負電,因此,在導體兩端便形成接觸電勢,其大小可由A導體和B導體的電子密度的定積分求出。

  熱電偶回路中产生的总热电势为

  eAB(t, t0)=eAB(t)+eB(t,t0)-eAB(t0)-eA(t,t0)

  在总热电势中,温差电势比接触电势小很多,可忽略不计,则熱電偶的热电势可表示为: eAB(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)

  对于已选定的熱電偶,当参比端温度t0恒定时,eAB(t0)=c为常数,则总的热电动势就只与温度t成单值函数关系,即eAB(t,t0)=eAB(t)-c=f(t),这一关系式在实际测量中是很有用的,即只要测出eAB(t, t0)的大小,就能得到被测温度t,这就是利用熱電偶测温的原理。

  由熱電偶的测温原理可知,当熱電偶材料选定以后,熱電偶产生的热电势与测量端、参比端的热电势有关,只有参比端温度t0为零或恒定不变,热电势才是热端温度的单值函数。熱電偶的分度表也是以参比端温度0℃作为基准进行分度的,而在实际使用过程中,冷端温度往往不为0℃,所以必须对参比端温度进行补偿;如果不补偿的话,则熱電偶的参比端温度t0与仪表接线端温度t1间的温差t0-t1则越大,测量误差也就越大。

  实际应用时,由于熱電偶参比端的接线盒通常暴露在大气中,温度变化较大,如不采取措施,接线盒内温度既不可能为零,也不可能保持某个温度恒定不变,由此引起测量误差。由于与熱電偶相连的二次仪表(如显示器、记录仪)、I/O 插卡等均带环境温度补偿,可对这些装置与熱電偶的接线点(即仪表接线端)温度t1进行补偿。由此可见,关键是如何对熱電偶的参比端温度t0进行补偿。目前有多种参比端补偿方法,如恒温法、补偿电桥法、补偿熱電偶法、補償導線法等,但最常用的就是補償導線法。

  補償導線除了可减少测量误差外,还有以下优点:可改善熱電偶测温线路的物理性能和机械性能,如采用多股线芯或小直径補償導線可提高线路的柔韧性,使连接方便,也易于屏蔽外界干扰;可降低测量线路成本,尤其是R、S分度号的贵金属熱電偶,其效果更是显著。

  但在常用熱電偶中,分度号为B的双铂铑(铂铑30-铂铑6)熱電偶是一个例外,它没有专用的補償導線,或者换一句话说,在实际应用中,它一般没有必要使用補償導線;但参比端温度不等超过120℃。双铂铑熱電偶常用于1300~1600 ℃温度段的测温其低温段的热电势出奇地低,如100℃时的热电势仅 0.033mV, 200℃时的热电势为0.178mV,与整个测温范围内(0~1800 ℃)每100℃的平均热电势为0.700mV比较相差悬殊,所以即使不补偿,造成的误差也很小。例如当热端温度为1300℃和1600℃时,如参比端温度t0=100℃时,造成的误差为±3.0℃,如t1=120℃ 时,造成的误差为±5.0℃,均达到使用普通级補償導線±5℃的要求。但值得注意的是,如t0=200℃时,则可能造成±16.3℃的误差,因此对双铂铑熱電偶来说,虽然在通常情况下可不使用補償導線,但限制条件是参比端温度t1≤120℃,否则将造成较大的误差。

  同样的例外,还有两种不常用的熱電偶,它们是镍钴-镍铝熱電偶200℃以下热电势几乎为零,可不用補償導線,和镍铁-镍铜熱電偶在50℃以下的热电势微乎其微,在这个温度范围内也不用補償導線。

  R、S分度号的铂铑13-铂和铂铑10-铂熱電偶,由于在低温段100℃时两者基本一致(R、S 分度号的热电势为0.647mV和0.646mV),200℃时稍有差别(R、S 分度号的热电势分别为 1.467 mV和1.441mV),所以目前国内市场上R、S分度号的補償導線是通用的。如将市场上通常采购得到的S分度号的補償導線用于R分度号的熱電偶,在100℃以下无误差,即使到了耐热用補償導線的极限温度200℃,当熱電偶的热端温度分别为600℃、1000℃、1300℃时,所引起的误差仅为2.5℃、2.2℃、2.0℃。【以上内容由上海自動化儀表三廠爲你整理發布】


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