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溫度測量與熱電偶冷端補償

日期：2024-05-19 16:19
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摘要：
溫度測量與熱電偶冷端補償
  
溫度測量
 
溫度測量是測量領域*重要的功能之一，頻繁應用於氣象觀測、環境研究、實驗室以及其他各種生產過程。在特定條件下的產品製造與工業質量保持穩定方麵，溫度測量是基礎且十分重要。因此，本文將描述工業領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知識。
熱電偶
 
熱電偶測溫的基本原理:兩個不同導體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T>T0)，回路中就會產生熱電動勢，這種現象稱為熱電效應。這種現象是1821年德國科學家賽貝克(T.Seebeck)發現的，所以又稱塞貝克效應。




熱電偶的基本構成:導體的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。根據實驗數據把熱電勢EAB(T，T0)和溫度T的關係繪成曲線或列成表格(分度表)，則隻要用儀表測得熱電勢，就可以求出被測溫度T。


熱電動勢的測量


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體材料相同時，無論兩接點溫度如何，回路總熱電勢等於零。
  2. 如果熱電偶兩接點的溫度相同，T=T0，則儘管導體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，與A、B材料的中間溫度無關。
  3. 在熱電偶回路中接入第三種材料的導體時，隻要這根導體的兩端溫度相同，則不會影響原來回路的
      總熱電勢。這一性質稱為中間導體定律。




在用熱電偶絲進行溫度測量時，熱電偶的冷端補償是必不可少的。那為什麼要進行冷端補償呢？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，而且與冷端溫度有關。隻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值，必須保持一個節點溫度恒定。熱電偶技術條件都是指冷端(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，否則就會產生誤差。




有很多種可用於測量溫度的熱電偶類型，它們的溫度電動勢特性如下圖:




下表總結了典型的熱電偶類型及其優缺點:

類型

優點

缺點

B

  1. 適用於1000℃或以上的高溫測量。
  2. 室溫下具有非常低的導熱性，無需補償導線。
  3. 極好的耐酸性和耐化學性。
  1. 中低溫範圍內導熱性低，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. 極好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. 導致重大的補償導線錯誤。
  4. 價格昂貴。

N

  1. 具有極好的溫差電動勢線性。
  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. 不適用於還原氣氛。
  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定性。
  1. 不適用於還原氣氛。
  2. 與貴金屬熱電偶相比，易遭受大的長期的改變。
  3. 易受短程排序導致的錯誤影響。

E

  1. 是當前*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. 不適用於還原氣氛。
  2. 有輕微磁滯現象。

J

  1. 可用於還原氣氛。
  2. 導熱性高出K類型約20％。
  1. 正極(“+”)鐵支架易生鏽。
  2. 特性不穩定。

T

  1. 具有極好的溫差電動勢線性。
  2. 在低溫下仍有很好的特性。
  3. 質量變化小。
  4. 可用於還原氣氛。
  1. 低使用限製。
  2. 正極(“+”)銅支架易氧化。
  3. 導致重大的熱傳導錯誤。
熱電阻
 
電阻由極細的金屬線構成，主要使用鉑、銅和鎳等材料。符合JIS標準的熱電阻隻能由鉑製成。熱電阻由於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. 能夠長期穩定測量。
    4. 機械強度低。
    5. 響應慢，不易測量微小或狹窄的部分。
    6. 通過測量電流產生熱量。
    7. 抗乾擾性強。
    8. 導線電阻會導致測量誤差。

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，然後將其換算成溫度。




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致自身加熱，從而容易產生測量誤差。相反，如果電流過小，則產生的電壓變低，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。

為了克服由於導線電阻對溫度測量造成的誤差，一般會采用三線製或四線製補償電路。




三線製測溫時，線上電阻rA和rB阻值相抵，如果近似相等時rA-rB為零




四線製測溫時，在測量電路上加載恒定電流i，在測熱電阻電壓的內線電路中保證隻測量電壓，而無電流通過。

三線製與四線製的區彆在於精度:四線製較三線製測量精度更高，而四線製需要多一根電纜，成本較三線製更高。
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