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温度测量与热电偶冷端补偿

2017-10-11  圆锥的布袋
热电偶测温的基本原理: 两个不同导体A与B串接成一个闭合回路,如图a所示,当两个接点的温度不同时(设T>T0),回路中就会产生热电动势,这种现象称为热电效应。这种现象是1821年德国科学家赛贝克(T.Seebeck)发现的,所以又称塞贝克效应。




热电偶的基本构成: 导体的A和B称为热电偶的热电极。放置在被测对象中的接点称为测量端,习惯上又叫做热端。另一接点称为参考端,习惯上又叫冷端。




热电动势的测量: 热电动势包括接触电势和温差电势。温差电势远比接触电势小,可以忽略。这样闭合回路中的总热电势可近似为接触电势。根据实验数据把热电势EAB(T,T0)和温度T的关系绘成曲线或列成表格(分度表),则只要用仪表测得热电势,就可以求出被测温度T。


热电动势的测量


在理解热电偶测温原理时我们需要知道热电偶的几个特性:
  1. 组成热电偶回路的两种导体材料相同时,无论两接点温度如何,回路总热电势等于零。
  2. 如果热电偶两接点的温度相同,T=T0,则尽管导体A,B材料不同,热电偶回路的总电势亦为零。
      热电偶回路的总电势仅与两接点温度有关,与A、B材料的中间温度无关。
  3. 在热电偶回路中接入第三种材料的导体时,只要这根导体的两端温度相同,则不会影响原来回路的
      总热电势。这一性质称为中间导体定律。




在用热电偶丝进行温度测量时,热电偶的冷端补偿是必不可少的。那为什么要进行冷端补偿呢?从热电偶的测温原理知道,热电偶热电势大小不但与热端温度有关,而且与冷端温度有关。只有在冷端温度恒定的情况下,热电势才能正确反映热端温度大小。在实际运用中,热电偶冷端受环境温度波动的影响较大,因此冷端温度不可能恒定,而要保持输出电势是被测温度的单一函数值,必须保持一个节点温度恒定。热电偶技术条件都是指冷端(非工作端)处在0℃时的电动势,要求工作时,保持0℃,这样热电势才能正确反映热端温度大小,否则就会产生误差。




有很多种可用于测量温度的热电偶类型,它们的温度电动势特性如下图:




下表总结了典型的热电偶类型及其优缺点:

类型

优点

缺点

B

  1. 适用于1000℃或以上的高温测量。
  2. 室温下具有非常低的导热性,无需补偿导线。
  3. 极好的耐酸性和耐化学性。
  1. 中低温范围内导热性低,600℃或600℃以下时无法进行测量。
  2. 低灵敏度。
  3. 低温差电动势线性。
  4. 价格昂贵。

R/S

  1. 高精确性和低变更、低退化性。
  2. 极好的耐酸性和耐化学性。
  3. 可作为标准使用。
  1. 低灵敏度。
  2. 易受还原气氛影响(尤其是氢气或金属蒸气)。
  3. 导致重大的补偿导线错误。
  4. 价格昂贵。

N

  1. 具有极好的温差电动势线性。
  2. 在1200℃或1200℃以下具有极好的耐酸性。
  3. 不受短程排序影响。
  1. 不适用于还原气氛。
  2. 与贵金属热电偶相比,易遭受大的长期的改变。

K

  1. 具有极好的温差电动势线性。
  2. 在1000℃或1000℃以下具有极好的耐酸性。
  3. 在贱金属热电偶中具有极好的稳定性。
  1. 不适用于还原气氛。
  2. 与贵金属热电偶相比,易遭受大的长期的改变。
  3. 易受短程排序导致的错误影响。

E

  1. 是当前最灵敏的热电偶。
  2. 具备比J类型更好的耐热性。
  3. 两个支架都是无磁的。
  1. 不适用于还原气氛。
  2. 有轻微磁滞现象。

J

  1. 可用于还原气氛。
  2. 导热性高出K类型约20%。
  1. 正极(“+”)铁支架易生锈。
  2. 特性不稳定。

T

  1. 具有极好的温差电动势线性。
  2. 在低温下仍有很好的特性。
  3. 质量变化小。
  4. 可用于还原气氛。
  1. 低使用限制。
  2. 正极(“+”)铜支架易氧化。
  3. 导致重大的热传导错误。

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