johnplay / 电工电子 / 热电偶温度传感器的工作原理及测量

分享

   

热电偶温度传感器的工作原理及测量

2013-02-07  johnplay
热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在电动势——热电动势,这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极,温度较高的一端为工作端,温度较低的一端为自由 端,自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系, 制成热电偶分度表; 分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的,不同的热电偶具有不同的分度表。

  在热电偶回路中接入第三种金属材料时,只要该材料两个接点的温度相同,热电偶所产生的热电势将保持不变,即不受第三种金属接入回路中的影响。因此,在热电偶测温时,可接入测量仪表,测得热电动势后,即可知道被测介质的温度。

热电偶温度传感器的工作原理

  两种不同成份的导体(称为热电偶丝材或热电极)两端接合成回路,当接合点的温度不同时,在回路中就会产生电动势,这种现象称为热电效应,而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的,其中,直接用作测量介质温度的一端叫做工作端(也称为测量端),另一端叫做冷端(也称为补偿 端);冷端与显示仪表或配套仪表连接,显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。

  热电偶实际上是一种能量转换器,它将热能转换为电能,用所产生的热电势测量温度,对于热电偶的热电势,应注意如下几个问题:

  1:热电偶的热电势是热电偶工作端的两端温度函数的差,而不是热电偶冷端与工作端,两端温度差的函数;

  2 :热电偶所产生的热电势的大小,当热电偶的材料是均匀时,与热电偶的长度和直径无关,只与热电偶材料的成份和两端的温差有关;

  3:当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后,热电偶热电势的大小,只与热电偶的温度差有关;若热电偶冷端的温度保持一定,这进热电偶的热电势仅 是工作端温度的单值函数。将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来,构成一个闭合回路,如图所示。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时,两 者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。 

  温度是对物体样本中粒子平均动能的测量方式,其标准单位是“度”。温度可以通过不同方法进行测量,测量的成本和精确度也因此各不相同。热电偶就是其中一种常见的测量温度的传感器,因为热电偶相对而言价格便宜而且精确度高,并且其测量范围相对较宽。

  每当两个不同的金属接触,接触点聚会产生一个以温度为函数的较低的空载电压,这就是热电效应。这个温差电压就是Seebeck电压,以1821年发现该现象的物理学家ThomasSeebeck命名。该电压相对于温度是非线性的,但是对于小范围内的变化温度可以近似的认为是线性的,或者:
(1)
  式中,?V是电压变化,S是Seebeck系数,而?T是温度变化。
  热电偶的类型有很多种,并且都根据美国国家标准学会(ANSI)公约规定,由大些字母注明其成分。例如,J型热电偶由一个铁制导体和一个铜镍合金导体构成。热电偶的其他类型包括B,E,K,N,R,S,和T。

如何测量热电偶

  为了更好地理解如何进行热电偶测量,必须先了解热电偶工作原理。本文档的第一部分将解释热电偶的基本原理,以后部分将陆续讲解如何实现热电偶同仪器之间的连接以及如何进行温度测量。

  热电偶Seebeck电压如果直接连到测量系统上连接到测量系统上会产生附加温差电路,因此不能通过简单地同电压表或者其他测量系统连接而进行测量。
图1.J型热电偶

  如图1所示,电路中使用J型热电偶对烛火温度进行测量。两个热电偶线路同数据采集设备的铜质接线端子连接。注意该电路中有三个金属连接口——J1,J2和J3。J1是热电偶测量点,产生一个同烛火温度成比例的Seebeck电压。除此之外J2和J3每个都有各自的Seebeck系数,并在数据采集终端都会产生一个同温度成比例的温差电压,称为冷端电压。为了确定J1的电压分量,就需要知道J2和J3接点的温度,并且知道接点电压和温度之间的关系。这样,就可以通过从测量电压中减去J2和J3寄生结电压分量而得到J1接点的电压。

  热电偶需要一个特定的温度基准来补偿该冷端产生的误差。最常用规定方法就是使用可直接读取的温度传感器测量得到参考端温度,减去寄生端电压分量。这个处理方法被称为冷端补偿,可以利用某些热电偶的特性来简化计算冷端补偿。
  通过使用金属过渡层的热电偶定律以及其他假设条件,我们可知电压数据采集系统的测量只取决于热电偶类型,测量端电压和冷端温度。测量电压同测量导线和冷端J2、J3的电压分量无关。
图2.金属过渡层热电偶定律

  考虑图3中电路。该电路同前文图1中所描述的电路相似,但是在J3接点前插入了一小段铜镍合金导线。所有接点处于同样的温度条件下。假定J3和J4接点温度相同,金属过渡层热电偶定律说明图3中的电路同图1中的电路在电气理论上是相同的。所以,图3电路所测得的任何结果都适用于图1所示电路。
图3.在等温环境中插入一个附加导线

  图3中,J2和J4接点属于同一类型(铜镍合金);因为两者处于等温环境,J2和J4也是同样的温度。因为电路中电流方向缘故,J4端产生一个Seebeck正电压,J2端产生一个Seebeck负电压。因此,接点抵消了相互之间的影响,测量电压的总量就为零。J1和J3接点都是铁—铜镍合金接点。但是他们的温度可能不同,因为他们可能不是在等温环境中。因为他们处于不同温度环境下,J1和J3接点都可以产生Seebeck电压,但是大小不同。为了补偿冷端J3,测量其温度并将其作用电压从热电偶测量中减去。

  使用VJx(Ty)符号表示Jx接点在Ty温度时所产生的电压,一般热电偶问题简化成下式:
VMEAS=VJ1(TTC)+VJ3(Tref)(2)
  式中,VMEAS表示数据采集系统测量得到的电压值,TTC表示J1接点热电偶的温度,Tref表示基准端的温度。

  注意到在(2)式中,VJx(Ty)表示的是就某个基准温度而言在Ty温度环境下所产生的电压。只要VJ1和VJ3是与同一个基准温度相关的温度函数,2式就成立。例如,如前文所述的NIST热电偶参照表就是将基准端保持在0摄氏度情况下生成的。

  因为J3和J1是同类型的,但是产生相对电压,所以VJ3(Tref)=-VJ1(Tref)。又因为VJ1是热电偶类型测试状态下产生的电压,所以该电压可以重命名为VTC。因此,2式可以改写成下式:
VMEAS=VTC(TTC)-VTC(Tref)(3)
  因此,通过测量VMEAS和Tref知道了热电偶电压同温度的关系,就能够确定热电偶测量端的温度。

  现有两种实现冷端补偿的技术——硬件补偿和软件补偿。两种技术都需要使用可直接读取传感器得到基准端温度。可直接读取传感器有一个只由测量点温度决定的输入端。半导体传感器,电热调节器和RTD都是常用的测量基准端温度的仪器。

  使用硬件补偿,可以将一个可变电压源插入到电路中,撤销寄生温差电压。可变电压源根据环境温度产生一个补偿电压,这样附加到修正电压上用来撤销不需要的温差信号。当这些寄生信号都被去除了,数据采集系统测量的唯一信号就是从热电偶测量端测得的电压。使用硬件补偿的情况下,数据采集系统终端的温度是不相关的,因为其中的寄生性热电偶电压已经被取消了。硬件补偿的主要不足之处在于,每种热电偶必须拥有一个分开的能够附加修正补偿电压的补偿电路,这样就会大大增加电路的成本。通常情况下,硬件补偿在精度上也不及软件补偿。

  或者您可以选择使用软件来进行冷端补偿。在使用可直接读取传感器测量得到基准端温度后,软件能够在被测电压上附加一个适合的电压值来消除冷端电压的影响。回忆(3)式中指明被测电压VMEAS等于(热电偶)测量端接点和冷端接点之间的电压差值。

  热电偶输出电压是高度非线性的。Seebeck系数会因为一些热电偶的运行温度区域中三个或以上的因素而有所变化。因此,您必须使用多项式来模拟热电偶中电压VS温度曲线或者使用查表法。

测量精度和温度测量范围的选择

  使用温度在1300~1800℃,要求精度又比较高时,一般选用B型热电偶;要求精度不高,气氛又允许可用钨铼热电偶,高于1800℃一般选用钨铼热电偶;使用温度在1000~1300℃要求精度又比较高可用S型热电偶和N型热电偶;在1000℃以下一般用K型热电偶和N型热电偶,低于400℃一般用E型热电偶;250℃下以及负温测量一般用T型电偶,在低温时T型热电偶稳定而且精度高。

使用气氛的选择

  S型、B型、K型热电偶适合于强的氧化和弱的还原气氛中使用,J型和T型热电偶适合于弱氧化和还原气氛,若使用气密性比较好的保护管,对气氛的要求就不太严格。湿度传感器探头,,不锈钢电热管PT100传感器,,铸铝加热器,加热圈流体电磁阀

耐久性及热响应性的选择

  线径大的热电偶耐久性好,但响应较慢一些,对于热容量大的热电偶,响应就慢,测量梯度大的温度时,在温度控制的情况下,控温就差。要求响应时间快又要求有一定的耐久性,选择铠装偶比较合适。

测量对象的性质和状态对热电偶的选择

  运动物体、振动物体、高压容器的测温要求机械强度高,有化学污染的气氛要求有保护管,有电气干扰的情况下要求绝缘比较高。

注意事项

  热电偶公称压力:一般是指在工作温度下保护管所能承受的静态外压而破裂。

  热电偶最小插入深度:应不小于其保护套管外径的8-10倍(特列产品例外)

  绝缘电阻:当周围空气温度为15-35℃,相对湿度<80%时绝缘电阻≥5兆欧(电压100V)。具有防溅式接线盒的热电偶,当相对温度为93± 3℃ 时,绝缘电阻≥0.5兆欧(电压100V)   

  高温下的绝缘电阻:热电偶在高温下,其热电极(包括双支式)与保护管以及双支热电极之间的绝缘电阻(按每米计)应大于下表规定的值。
 

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。如发现有害或侵权内容,请点击这里 或 拨打24小时举报电话:4000070609 与我们联系。

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多
    喜欢该文的人也喜欢 更多

    ×
    ×

    ¥.00

    微信或支付宝扫码支付:

    开通即同意《个图VIP服务协议》

    全部>>