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在典型的过程工厂中使用热电偶测量和校准时应该知道的事情

来源:作者:上海自动化仪表三厂发表时间:2018-09-11

    在使用过程仪器校准的多年中,经常让我感到惊讶的是,即使是那些使用热电偶工作很多的人并不总是意识到热电偶,尤其是冷(参考)接头是如何工作的,因此他们在测量和校准可能会出错。


    为了能够讨论冷端,我们首先要简要了解热电偶理论以及热电偶的工作原理。 


    我不会深入理论科学,但会更加注重实际考虑因素,当您在典型的过程工厂中使用热电偶测量和校准时应该知道的事情。


    术语:冷端或参考连接点

    热电偶“冷端”通常被称为“参考接合点”,但在我看来人们更频繁地使用“冷接点”,所以我将在本文中使用那个。

 

    热电偶:

    热电偶是过程工厂中非常常见的温度变送器。热电偶几乎没有什么好处,可以广泛使用。它们可用于测量非常高的温度,远高于RTD(电阻温度检测器)。热电偶也是一种非常坚固的变送器,因此不易损坏。虽然热电偶不如热电阻精确,但它们在许多应用中都足够准确。热电偶也是相对便宜的变送器,并且热电偶测量电路不像热电阻电路那样需要激励电流,因此电路就是这样,制造起来更简单。有许多不同的热电偶类型针对不同的应用进行了优化。


    热电偶变送器看起来非常简单 - 只需两根电线 - 可能出现什么问题?


    但考虑到冷端和测量电路中的所有结点,它并不总是如此简单。


    让我们开始讨论冷端讨论,但在此之前,关于热电偶理论的更多文字有助于更好地理解冷端讨论。 


    热电偶如何工作?

    让我们来看看热电偶的工作原理。热电偶由两根由不同电导体组成的导线组成,这两根导线在一端(“热”端)连接在一起,即您想要用来测量温度的末端。


    正如托马斯·约翰·塞贝克(Thomas Johann Seebeck)在1821年发现的那样,当这些导线的连接点进入不同温度时,会产生热电流,导致开路端导线之间的电压很小。电压取决于温度和所用导线的材料。这种效应被称为塞贝克效应。

图:热电偶的简化原理图

 

    在上图中:“热电偶材料1和2”代表热电偶的两种不同材料。“T1”是热电偶的热端,即用于测量温度的点。两个“Tcj”是冷端的温度。


    上面的解释有些简化,因为热电压实际上是由热电偶线中的温度梯度产生的,一直是在“热”和“冷”结之间。因此,不是实际产生电压的连接点,而是沿着电线的温度梯度。通过认为热电压在结,冷热结中产生,更容易理解这一点。也许更多科学的热电偶理论可以在以后的其他文章中提供,但在这一篇中,让我们坚持实际考虑。


    热电偶类型和材料:

    有许多类型的热电偶由不同的材料和合金制成。不同的材料会导致不同的灵敏度,在相同温度下产生不同的热电压量,并会影响其他特性,如最高温度。


    几种不同的热电偶类型已经标准化,并且给出了所使用的特定材料的名称。名称通常是非常短的名称,通常只有一个字母,例如K,R,S,J,K等类型。


    一些最常见的热电偶及其材料列于下表:


    电线颜色:

    好消息是热电偶线是彩色编码的,以便于识别。

    坏消息是颜色代码有许多不同的标准,它们彼此不同。


    主要标准是IEC60584-3(国际)和ANSI(美国),但也有许多其他标准,如日本,法国,英国,荷兰,德国等标准。不幸的是,通过颜色识别类型有点复杂。 


    热电偶的热电压:

    由于不同的热电偶由不同的材料制成,因此热电压也不同,如下图所示。在不同类型之间的相同温度下产生的电压存在很大差异。

    如果您想测量较低的温度,使用更敏感的类型显然会更好,因为它们提供更高的电压,更容易测量。但是如果你需要去高温,你需要选择一些可以在如此高温下使用的不太敏感的类型。


    塞贝克系数表示热电偶的电压与温度变化相比变化了多少。稍后会详细介绍。


    上图说明了不同热电偶之间的不同灵敏度,也解释了为什么热电偶校准器通常对不同的热电偶类型有不同的精度规格。测量设备或校准器通常具有电压指定的电压测量精度。例如,它可以具有4微伏的精度。由于热电偶灵敏度不同,这4微伏精度等于不同的温度精度,具体取决于热电偶类型。


    测量装置(校准器)示例


    让我们看看两个极端:在200°C温度下的E和B型。E型在200°C时的灵敏度(塞贝克系数)约为74μV/°C,而B型在200°C时的系数约为2μV/°C。因此,这两者之间有37倍的差异。


    例如,如果您的测量设备可以测量4μV的电气精度,这意味着它可以在200°C时为E型提供约0.05°C(4μV除以74μV/°C)的精度,并且精度高温度为2°C(4μV除以2μV/°C),B型为200°C。


    因此,我们可以看到为什么热电偶测量设备/校准器对于不同的热电偶类型通常有非常不同的精度规格。


    校准器准确度:

    如果您看到温度校准器的数据表,并且所有热电偶类型的精度规格相同,请小心!通常这意味着规格/数据表已在营销部门而非技术部门完成。


    这不太现实。


    标准:

    还有一些标准(例如AMS2750E)要求所有热电偶类型都具有相同的精度,这在实践中没有太大意义,因为不同类型的灵敏度存在巨大差异。


    塞贝克系数:

    我之前已经提到了塞贝克系数。这是热电偶的灵敏度,即它解释了每个温度变化产生多少电压。


    下图显示了一些不同热电偶的塞贝克系数:


 


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