您好,澳门新葡亰手机版自动化仪表三厂网站欢迎您!

官方微信|加入收藏|联系大家|

企业微信

澳门新葡亰手机版自动化仪表三厂

全国咨询服务热线:

021-5672511502156413113

澳门新葡亰手机版

联系大家

全面阐述关于热电偶的理论大全

来源:发表时间:2019-07-11


      热电偶是所有传感器中最简单的传感器之一。它由在测量点附近连接的两根不同金属线组成。输出是在两根导线之间测量的小电压。


      虽然在概念上非常简单,但热电偶背后的理论是微妙的,需要了解其基础以最有效地使用传感器。
热电偶理论:
      热电偶电路至少有两个结:测量结和参考结。通常,在两根导线连接到测量设备的地方创建参考接合点。第二个连接点实际上是两个连接点:两个连接线各一个连接点,但由于假设它们处于相同的温度(等温),因此它们被视为一个(热)结。这是金属变化的关键,从热电偶金属到测量装置中使用的金属,通常是铜。输出电压与测量和参考结之间的温差有关。这种现象被称为塞贝克效应。塞贝克效应沿着导线的长度产生小电压,并且在温度梯度最大的地方最大。如果电路是相同材料的电线,那么它们将产生相同但相反的塞贝克电压,这将取消。但是,如果导线金属不同,塞贝克电压将不同,不会取消。
      在实践中,塞贝克电压由两个部分组成:在结处产生的珀耳帖电压,加上由温度梯度在线中产生的汤姆逊电压。


      珀耳帖电压与每个结的温度成比例,而汤姆逊电压与两个结之间的温差的平方成比例。Thomson电压是热电偶响应中观察到的大部分电压和非线性的原因。每种热电偶类型都有其特有的塞贝克电压曲线。曲线取决于金属,它们的纯度,均匀性和晶体结构。在合金的情况下,成分的比例及其在线中的分布也是重要的。金属的这些潜在的不均匀特性是当热电偶金属及其杂质通过扩散变得更易移动时,厚线热电偶在高温应用中可以更精确的原因。
热电偶的实际考虑因素:
上述热电偶操作理论具有重要的实际意义,值得了解:
         1.可以将第三金属引入热电偶电路中并且没有冲击,只要两端处于相同的温度即可。这意味着只要第三金属没有净温度梯度,热电偶测量结可以焊接,钎焊或焊接而不会影响热电偶的校准。此外,如果测量电路金属(通常是铜)与热电偶的金属不同,那么如果两个连接端子的温度相同且已知,则读数将不受铜的存在的影响。
         2.热电偶的输出是由沿着导线的温度梯度产生的,而不是通常认为的接合点。因此,重要的是在存在温度梯度的地方保持电线的质量。电线质量可能会受到其工作环境和绝缘材料污染的影响。对于低于400°C的温度,绝缘电线的污染通常不是问题。在高于1000°C的温度下,绝缘和护套材料的选择以及导线厚度对热电偶的校准稳定性至关重要。
在结点处不产生热电偶输出的事实应该将注意力转移到其他潜在的问题区域。
         3.热电偶产生的电压是测量和参考结之间温差的函数。传统上,参比接点通过冰浴保持在0°C:


      现在认为冰浴是不切实际的,并且由参考接合点补偿装置代替。这可以通过使用备用温度传感器(通常是RTD或热敏电阻)测量参考结温度并在缩放到温度之前对测量的热电偶电压施加校正电压来实现。校正可以在硬件中电学地完成,或者在App中以数学方式完成。App方法是优选的,因为它对所有热电偶类型是通用的并且它允许校正参考温度范围内的小的非线性。


         4.热电偶的低电平输出(通常为50mV满量程)要求注意避免电机,电源线,变压器和无线电信号拾取器的电气干扰。扭转热电偶线对(比如每10厘米1捻)可以大大减少磁场拾取。在金属导管中使用屏蔽电缆或导线可以减少电场拾取。测量设备应提供硬件或App信号滤波,强烈抑制线路频率(50/60 Hz)及其谐波。
         5.需要考虑热电偶的工作环境。在高温下暴露于氧化或还原气氛会显着降低某些热电偶的性能。含有铑(B,R和S型)的热电偶在中子辐射下是不合适的。
热电偶的优点和缺点:
      由于其物理特性,热电偶是许多应用中温度测量的首选方法。它们非常坚固,不受冲击和振动的影响,在很宽的温度范围内都很有用,制造简单,无需激励功率,没有自加热,可以做得很小。没有其他温度传感器提供这种程度的多功能性。由于热电偶的坚固性,宽温度范围和独特的性能,热电偶是很好的传感器。在下侧,热电偶产生相对低的输出信号,该信号是非线性的。这些特性需要灵敏且稳定的测量设备,能够提供参考结补偿和线性化。此外,低信号电平要求在安装时采取更高级别的注意,以尽量减少潜在的噪声源。
测量硬件需要良好的噪声抑制能力。除非共模范围和拒绝足够,否则接地回路可能是非隔离系统的问题。
热电偶的类型:
      通常使用约13‘标准’热电偶类型。其中八位获得了国际认可的字母标识。字母类型代号指的是电动势表,而不是金属的组成。因此任何与定义公差范围内的电动势表匹配的热电偶可以接收该表的字母代号。      一些未被认可的热电偶可能在特定的小众应用中表现优异,并且由于这个原因以及合金制造商的有效营销而获得了一定程度的认可。其中一些已由其制造商给出了字母型指示符,这些指示符已被行业部分接受。
      每种热电偶类型都具有可与应用匹配的特性。工业上通常喜欢K和N类型,因为它们适合于高温,而其他通常更喜欢T型,因为它具有灵敏度,低成本和易于使用。标准热电偶类型表如下所示。该表还显示了支架中延伸级线材的温度范围。


热电偶的准确性:
      热电偶可在很宽的温度范围内工作:从接近绝对零度到其熔点,但它们通常仅在其稳定范围内表征。由于一系列因素,热电偶精度是一个难题。原则上和实践中,热电偶可以获得优异的结果,如果经过校准,使用远低于其标称温度上限,并且可以避免恶劣气氛。在较高温度下,通常最好使用较重的导线规格以保持稳定性(下面的线规)。
热电偶线等级:
      有不同等级的热电偶线。主要部门介于测量等级和扩展等级之间。测量等级具有最高纯度,应在温度梯度显着的地方使用。最常用的是标准测量等级(2级)。特殊测量等级(1级)的精度约为标准测量等级的两倍;延长热电偶线等级设计用于将热电偶连接到测量设备。延长线可以是与测量等级不同的金属,但是选择在大大降低的温度范围内具有匹配的响应 - 通常为-40℃至120℃。使用延长线的原因是降低了成本。它们可以是等效测量等级成本的20%到30%。通过使用更薄规格的延长线和更低温度的额定绝缘,可以进一步节省成本。
      注意:当测量延长线额定值内的温度时,可以使用整个电路的延长线。这通常使用T型延长线,在-60至100°C范围内精确。
热电偶线规:
      在高温下,热电偶线可以以改进的晶体结构的形式发生不可逆的变化,合金组分的选择性迁移和源自表面金属的化学变化对周围环境的反应。对于某些类型,机械应力和循环也可以引起变化。增加导线暴露在高温下的直径可以减少这些影响的影响。下表可用作线规的非常近似的指南:


      在这些较高的温度下,应尽可能地保护热电偶线免受恶劣气体的影响。减少或氧化气体会很快腐蚀一些热电偶线。在温度梯度最大的情况下,热电偶线的纯度最为重要。对于热电偶接线的这一部分,必须非常小心。
      其他电线污染源包括矿物填料和保护金属护套。金属蒸汽扩散在高温下可能是重要的问题。铂丝只能在非金属护套内使用,例如高纯度的铝合金。
中子辐射(如在核反应堆中)可对热电偶校准产生显着的永久影响。这是由于金属转化为不同的元素。
      在某些情况下,高温测量非常困难。优先使用非接触方法。然而,这并不总是可行的,因为这些类型的传感器并不总是可以看到温度测量的位置。
热电偶线的颜色编码:
      热电偶线的颜色编码是一场噩梦!至少有七种不同的标准。标准之间存在一些不一致之处,这似乎是为了混淆而设计的。例如,美国标准中的红色总是用于负极引线,而在德国和日本标准中,它始终是积极的引导。英国,法国和国际标准完全避免使用红色!
热电偶安装:
      热电偶有四种常见的方式安装在不锈钢或Inconel护套中,并与矿物氧化物电绝缘。每种方法都有其优点和缺点。


      密封和隔离护套:良好的相对无故障的安排。不对所有应用使用这种安排的主要原因是响应时间缓慢,典型的时间常数是75秒。
      密封和接地到护套:可能导致接地回路和其他噪音注入,但提供合理的时间常数(40秒)和密封外壳。
      裸露的珠子:更快的响应时间常数(通常为15秒),但缺乏机械和化学保护,以及与被测材料的电气隔离。必须密封多孔绝缘矿物氧化物。
      暴露的快速响应:最快的响应时间常数,通常为2秒,但对于精细的接合线规格,时间常数可以是10-100ms。除了暴露的珠子类型的问题之外,突出和轻质结构使得热电偶更容易受到物理损坏。
热电偶补偿和线性化:
      如上所述,可以在硬件或App中提供参考结补偿。两种情况下的原理相同:向热电偶输出电压添加校正电压,与参考结温度成比例。为此,必须通过传感器监测热电偶线与测量装置的连接点(即热电偶材料变为电路电子器件的铜的位置)。该区域必须设计为等温,以便传感器精确跟踪参考结温度。硬件解决方案很简单,但并不总是像人们想象的那样容易实现。


      该电路需要针对特定??的热电偶类型进行设计,因此缺乏App方法的灵活性。App补偿技术通过消除参考传感器放大器和求和电路简化了硬件要求。


      热电偶电动势表和系数的良好资源在美国商务部的NIST网站上。它涵盖了B,E,J,K,N,R,S和T类型。
热电偶作为热泵:
      热电偶可以反向运行。如果电流通过热电偶电路,一个结将冷却而另一个结温。这被称为Peltier效应,用于小型冷却系统。通过交替地使电流通过热电偶电路然后快速测量电路的塞贝克电压,可以证明这种效果。使用该工艺时,使用非常精细的热电偶线(0.025 mm,电流约为10 mA),通过确保冷却的接头降至空气露点以下来测量湿度。这导致在冷却的接合处形成冷凝。允许结返回到环境,温度曲线显示由蒸发潜热引起的露点拐点。
测量温差:
      热电偶非常适合测量温度差异,例如测量湿度时湿球压低。通过构建热电堆许多串联的热电偶电路,可以提高灵敏度。


      在上面的例子中,热电堆输出与温度差T1-T2成比例,其灵敏度是单个结对的三倍。在实践中,具有两到数百个结的热电堆用于辐射计,热通量传感器,流量传感器和湿度传感器。热电偶材料可以是线形式,但也可以印刷或蚀刻成箔,甚至电镀。热电偶的直接测量温差的能力是独一无二的。其他传感器类型需要一对紧密匹配的传感器,以确保在整个工作温度范围内进行跟踪。
热电发电机:
      虽然塞贝克电压非常小(大约10-70μV/°C),但如果电路的电阻很低(粗,短导线),那么大电流是可能的(例如,许多安培)。在结之间电阻(尽可能小)和热阻(尽可能大)的效率折衷是主要问题。通常,电阻和热阻与不同材料一起发展。通过布线作为热电堆可以增加输出电压。热电发电机已经发现其最着名的应用作为某些航天器的动力源。诸如钚的放射性材料产生热量,并且通过热辐射向空间提供冷却。这种原子能源可以可靠地提供数十瓦的功率多年。原子发生器具有高放射性这一事实阻碍了它们的广泛应用

本文由澳门新葡亰手机版自动化仪表四厂、 澳门新葡亰手机版自动化仪表三厂、 澳门新葡亰手机版自动化仪表有限企业、编辑,转载请注明版权 相关产品推荐:磁浮子液位计 磁翻板液位计、 电磁流量计、 雷达液位计、 孔板流量计、 热电偶、 流量计、 压力变送器、 涡街流量计、
[!--temp.pl--]
XML 地图 | Sitemap 地图