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溫度測量與熱電偶冷端補償

日期：2025-05-01 15:32
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摘要：
溫度測量與熱電偶冷端補償
  
 
溫度測量是測量領(lǐng)域*重要的功能之一，頻繁應(yīng)用于氣象觀測、環(huán)境研究、實驗室以及其他各種生產(chǎn)過程。在特定條件下的產(chǎn)品制造與工業(yè)質(zhì)量保持穩(wěn)定方面，溫度測量是基礎(chǔ)且十分重要。因此，本文將描述工業(yè)領(lǐng)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(guān)知識。
 
熱電偶測溫的基本原理:兩個不同導(dǎo)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(shè)T>T0)，回路中就會產(chǎn)生熱電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。這種現(xiàn)象是1821年德國科學(xué)家賽貝克(T.Seebeck)發(fā)現(xiàn)的，所以又稱塞貝克效應(yīng)。




熱電偶的基本構(gòu)成:導(dǎo)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(xí)慣上又叫做熱端。另一接點稱為參考端，習(xí)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(jù)實驗數(shù)據(jù)把熱電勢EAB(T，T0)和溫度T的關(guān)系繪成曲線或列成表格(分度表)，則只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(dǎo)體材料相同時，無論兩接點溫度如何，回路總熱電勢等于零。
  2. 如果熱電偶兩接點的溫度相同，T=T0，則盡管導(dǎo)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(guān)，與A、B材料的中間溫度無關(guān)。
  3. 在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體時，只要這根導(dǎo)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(zhì)稱為中間導(dǎo)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。那為什么要進行冷端補償呢？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(guān)，而且與冷端溫度有關(guān)。只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(huán)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(shù)值，必須保持一個節(jié)點溫度恒定。熱電偶技術(shù)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(chǎn)生誤差。




有很多種可用于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(jié)了典型的熱電偶類型及其優(yōu)缺點:

類型

優(yōu)點

缺點

B

  1. 適用于1000℃或以上的高溫測量。
  2. 室溫下具有非常低的導(dǎo)熱性，無需補償導(dǎo)線。
  3. 極好的耐酸性和耐化學(xué)性。
  1. 中低溫范圍內(nèi)導(dǎo)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(xué)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(dǎo)致重大的補償導(dǎo)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. 不適用于還原氣氛。
  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(wěn)定性。
  1. 不適用于還原氣氛。
  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?qū)е碌腻e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. 不適用于還原氣氛。
  2. 有輕微磁滯現(xiàn)象。

J

  1. 可用于還原氣氛。
  2. 導(dǎo)熱性高出K類型約20％。
  1. 正極(“+”)鐵支架易生銹。
  2. 特性不穩(wěn)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(zhì)量變化小。
  4. 可用于還原氣氛。
  1. 低使用限制。
  2. 正極(“+”)銅支架易氧化。
  3. 導(dǎo)致重大的熱傳導(dǎo)錯誤。
 
電阻由極細的金屬線構(gòu)成，主要使用鉑、銅和鎳等材料。符合JIS標準的熱電阻只能由鉑制成。熱電阻由于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(wěn)定測量。
    4. 機械強度低。
    5. 響應(yīng)慢，不易測量微小或狹窄的部分。
    6. 通過測量電流產(chǎn)生熱量。
    7. 抗干擾性強。
    8. 導(dǎo)線電阻會導(dǎo)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，然后將其換算成溫度。




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(dǎo)致自身加熱，從而容易產(chǎn)生測量誤差。相反，如果電流過小，則產(chǎn)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。

為了克服由于導(dǎo)線電阻對溫度測量造成的誤差，一般會采用三線制或四線制補償電路。




三線制測溫時，線上電阻rA和rB阻值相抵，如果近似相等時rA-rB為零




四線制測溫時，在測量電路上加載恒定電流i，在測熱電阻電壓的內(nèi)線電路中保證只測量電壓，而無電流通過。

三線制與四線制的區(qū)別在于精度:四線制較三線制測量精度更高，而四線制需要多一根電纜，成本較三線制更高。

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