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热电偶温度传感器工作原理

  • 文章来源:北京力诺
  • 发布时间:2019-01-01 13:48
  • 阅读人数:
  • 文章作者:力诺传感器科技

  热电偶温度传感器由两种不同的金属组成,一端连接在一起,产生一个温度变化的电压(以毫伏表示)。两种金属的连接点,称为传感结,连接到延长线。任何两种不同的金属都可用于制造热电偶。

热电偶温度传感器
 

  热电偶温度传感器工作原理

 
  *当两种不同的金属连接在一起时,在结处产生一个称为热结电压的小电压。称为珀耳帖效应。
 
  *如果结的温度发生变化,则电压也会发生变化,这可以通过电子控制器的输入电路来测量。输出是与结和自由端之间的温度差成比例的电压。被称为汤普森效应。
 
  *这两种效果都可以结合起来测量温度。通过将一个结保持在已知温度(参比结)并测量电压,可以推导出传感结处的温度。产生的电压与温差成正比。这种组合效应被称为热结效应或塞贝克效应。
 
  图右侧示出了一个简单的热电偶电路。热电偶温度传感器电路图
 
  测量电压以推断温度。在实际操作中,导线A和B连接到数字电压表(DVM),数字万用表(DMM),数字数据采集系统或一些其他电压测量装置。如果测量装置具有非常高的输入阻抗,则可以精确地测量由热结产生的电压。
 
  然而,热电偶温度测量的主要问题是导线A和B必须连接到电压表的引线,电压表通常由铜制成。如果导线A和导线B本身都不是铜,则连接到DVM会产生两个以上的热接点!(热电偶金属通常与DVM引线的金属不相同。)这些额外的热结也会产生热电压,当试图测量来自传感结的电压时会产生误差。
热电偶

  如何解决这个问题?

 
  一个简单的解决方案是通过在电路中插入额外长度的金属A线,添加第四个热结,称为参考结,如下图所示。参考接头由金属A和B组成,如图所示。
 
热电偶问题解决电路图
 
  该修改电路分析如下:
 
  通过这种布置,仍然形成两个额外的热电偶结,其中补偿的热电偶连接到电压表(DVM)。DVM的两个连接点现在都在金属A和铜之间。这两个结放在一起,并且在相同的温度下,使它们的热结电压相同,并相互抵消。同时,新的参考接合点被放置在准确地知道参考温度TR的位置,通常在具有固定温度TR=0℃的冰水浴中。如果传感结也处于0°C(Ts=0o)C),传感结产生的电压将与参考结产生的电压相等且相反。因此,当Ts=0℃时,Vo=0。但是,如果传感结温不等于TR,则Vo将为非零。
 
  总之,Vo是传感器温度Ts和用于热电偶的两种金属的独特功能。因此,对于已知的参考温度和已知的热电偶线材料,输出电压Vo可用于测量温度。这是热电偶使用的基本概念。
 
  热电偶材料
 
  热电偶可以由几种不同的材料组合构成。热电偶材料的性能通常通过使用具有铂的材料来确定。选择一对材料时要考虑的最重要因素是两种材料之间的“热电差异”。两种材料之间的显着差异将导致更好的热电偶性能。
 
  下图说明了与铂一起使用时更常用材料的特性。例如:Chromel-Constantan适用于高达2000°F的温度;镍/镍-钼有时取代了Chromel-Alumel;和钨-铼用于高达5000°F的温度。用于特殊应用的一些组合是铬白金,钼-钨,钨-铱和铱/铱-铑。
 
  下图说明了与铂金一起使用时的热电偶材料特性。
热电偶材料
 
  热电偶类型的特征
 
  在无限数量的热电偶组合中,美国仪器学会(ISA)认可12.这些热电偶类型中的大多数都以单字母名称而闻名;最常见的是J,K,T和E.热电偶的成分是国际标准,但它们的电线的颜色代码是不同的。例如,在美国,负导线总是红色,而世界其他地方使用红色指示正导线。通常,标准热电偶类型以其商品名称表示。例如,
 
  甲K型热电偶具有颜色黄色,并且使用铬-镍铝合金,它们是在Ni-Cr和Ni-Al导线合金的商品名称。
 
  甲J型热电偶具有颜色黑,并使用铁和康铜作为其成分的金属。(康斯坦坦是镍和铜的合金。)
 
  甲T型热电偶具有颜色蓝色,并且使用铜和康铜作为其成分的金属。
 
  甲S型热电偶使用铂/铑-铂
 
  甲E型热电偶使用镍/铬精读
 
  甲型N-热电偶使用镍/铬/Si的镍/硅
 
  尽管最高温度随温度VsJ型电压参考表热电偶中使用的导线直径而变化,但每次校准都有不同的温度范围和环境。合金成分的变化和导线之间的连接状态是温度测量中的误差源。热电偶线的标准误差在±0.8°C至±4.4°C之间变化,具体取决于所用热电偶的类型。K型热电偶推荐用于大多数通用应用。它具有宽温度范围,低标准误差,并具有良好的耐腐蚀性。实际上,许多数字万用表(DMM)可以通过插入带有标准连接的K型热电偶来测量温度。
 
  热电偶产生的电压几乎与温度呈线性变化,但不完全相同。因此,没有简单的方程式将热电偶电压与温度联系起来。而是将电压制成表格,作为各种标准热电偶的温度的函数。为了将毫伏读数转换为相应的温度,您必须参考如下所示的表格。这些表格可以从热电偶制造商处获得,它们列出了与一系列毫伏读数相对应的特定温度。按照惯例,热电偶表的参考温度为0ºC。
 
  热电偶连接点:
 
  带护套的热电偶探头有三种接头类型中的一种:接地,不接地或暴露。
 
  接地连接-在这种类型中,热电偶线物理连接到探头壁的内部。这导致从外部,通过探针壁到热电偶结的良好热传递。建议将接地连接点用于测量静态或流动的腐蚀性气体和液体温度以及高压应用。接地热电偶的接点焊接到保护套上,比未接地的接头类型响应更快。
 
  未接地的接头-在地下探头中,热电偶接头与探头壁分离。响应时间从接地方式减慢,但未接地提供所有直径500Vdc的1.5M1/2电气隔离。建议在腐蚀性环境中进行不接地连接,以便热电偶与护套电子隔离和屏蔽。焊丝热电偶通过MgO粉末(软)与热电偶护套物理绝缘。
 
  暴露的连接-在暴露的连接方式中,热电偶从护套尖端突出并暴露在周围环境中。这种类型提供最佳响应时间,但在非腐蚀性和非加压应用中的使用受到限制。接头延伸到保护金属护套之外,以提供准确的快速响应。在连接处延伸的地方密封护套绝缘层,以防止可能导致错误的水分或气体渗透。
热电偶温度传感器类型
 
  总之,暴露的结提供了最快的响应时间,接着是接地结。温度测量决策可以决定或破坏过程的预期结果。为应用选择正确的传感器可能是一项艰巨的任务,但处理测量信号也非常关键。
  
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