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浅谈如何构建热电偶以及它们如何工作的物理背景

来源:作者:上海自动化仪表三厂发表时间:2018-09-12

    热电偶是一种常见类型的温度传感器,用于从实验室测试台到工业环境的各种应用。然而,对于许多类型的传感器通常也是这种情况,使用热电偶获取准确数据可能具有挑战性。本应用指南介绍了如何构建热电偶以及它们如何工作的物理背景,提供了一种有助于读者提高读数准确性的理解。


    如何创建热电偶:

    形成“热”和“冷”结的两个不同导体的组合产生热电偶(图1)。在不同温度下维持两个结产生电动势(EMF),也称为热电电压。EMF以毫伏范围测量,并且是称为塞贝克效应的物理现象的产物,其描述了由热电偶材料产生的电压以及热接点和冷接点之间的温差。

图: 基本的热电偶


    等式1提供了塞贝克效应的线性近似。


    ΔV= S×(T h - T c) (等式1)

    ΔV:两种不同金属之间的电压差

    S:以V / K表示的塞贝克系数(通常以μV/°C为单位)

    T h - T c:冷端和冷端之间的温差


    塞贝克系数特定于用于构造热电偶的两个导体。它对温度具有非线性依赖性。使用塞贝克效应的线性近似会产生显着的测量误差。现代热电偶测量技术应考虑这种非线性。重要的是要理解温度测量不能仅由热电偶产生的EMF确定。相反,必须知道以下三个参数:

    由热和冷结之间的热梯度引起的热电电压;

    热电偶类型;

    冷结温度。


    如果这些变量中的任何一个未知,则无法确定热电偶感应结处的温度。 公式2显示了用于测量热电偶热结温度的更新计算,并考虑了上述参数:


    公式02b。 (等式2)

    T h:热结温度,单位为°C

    T c:冷结温度,单位为°C

    a(T c):塞贝克系数是T c的函数,单位为μV/°C


    影响热电偶读数准确度的因素:

    牢记基本原理可以更容易地理解可能影响热电偶测量精度的因素。利用上述三个必要参数,从热电偶产生热结温度测量相对容易。然而,用于获取这些参数的方法可能会在测量中引入不准确性。以下因素可能会影响不同测量阶段的温度读数,并且会有不同程度的影响:

    热电偶特性;

    冷结测量;

    嘈杂的环境;

    线性化。



    热电偶特性

    有时,热电偶本身的问题会导致读数不准确。这些问题可能来自热电偶老化时发生的损坏。需要注意的一些常见问题包括:热结热/电连接不良 -如果两个导??体在热结处没有正确连接在一起,则可能产生错误的热电电压。裸线结,绝缘结和接地结是热电偶中最常见的热结类型。它们将在下面进一步描述:


    裸线热电偶 -两根引线可以不同方式连接在一起。引线可以绞合在一起,焊接在一起或焊接在一起。对于机械振动过大的应用,不建议将引线绞合在一起。对于高温应用,由于焊料回流的可能性,结不应焊接在一起。冷焊引线通常是最佳选择。

    绝缘结 -基于结的结构,与裸线型热电偶相比,绝缘结更具机械坚固性和耐腐蚀性。然而,因为没有金属表面直接暴露于测量温度,所以热结的热阻增加。这会降低热电偶对温度变化的响应速度。因此,在需要对温度变化做出快速响应的地方,不建议使用绝缘接头。在某些情况下,慢响应可能是有利的,因为它有助于滤除“噪声”。对于导热系数低的材料(对于某些气体来说常见),不推荐使用绝缘结。

    接地连接点 - 结构类似于绝缘结热电偶的结构,其附加特征是结与保护套电连接。虽然结构类型机械坚固并且防止腐蚀,但由于与保护套的金属连接(由于护套的热质量,它们仍然可能很慢),因此接地结的响应时间比绝缘结更快。但是,由于热电偶的尖端直接焊接到保护套上,因此整个表面都很容易受到影响。如果护套与电信号接触,则会使来自热电偶的EMF信号不可靠。这种副作用通常被忽略,使用接地连接的应用需要仔细规划。另一个重要的考虑因素是“接地”护套的电位可能与系统地电位的mV或甚至V不同。通常,需要隔离信号调理电路的电源。


    沿热电偶线路的串联电阻 -由于热电偶是导体,导体或连接电路中的寄生电阻可能会影响信号。如果引线太长或太薄,则总串联电阻可能在EMF到达冷端之前导致信号劣化。解决此问题的一种方法是使用称为“延伸等级”的特殊类型的热电偶线,其设计用于将热电电路承载更长的距离。


    用于构造热电偶的低等级材料 - 一些较便宜的热电偶由低冶金级配材料制成。使用这些材料可能导致结构中的杂质不同地影响每批金属,产生可变的塞贝克系数。


    沿着引线长度的电隔离问题 -如果使用错误类型的绝缘或劣质绝缘来分离热电偶的两个引线,则可能出现几个问题。在高温应用中,如果使用非耐温类型的绝缘材料,绝缘层会熔化,导致暴露在引线上。绝缘部分的断裂也可能暴露热电偶引线。一旦热电偶引线暴露于元件,它们可能会腐蚀,导致短路或线路故障,或将其他电信号引入线路。正极和负极引线也可能短路在一起,这会产生过早的热结,仍然会给出错误位置的温度读数。


    热电偶类型 -每种热电偶类型都有指定的温度测量范围。给定的热电偶必须能够承受其应用的环境条件。K型热电偶具有广泛的操作和廉价的结构,是一些最常用的类型。某些热电偶解决方案仅适用于给定的热电偶类型。MAX31856等集成解决方案可配置为支持所有常见的热电偶类型。


    上面的列表提供了一些常见问题,这些问题可能导致基于热电偶选择的精度损失。但是,即使选择了良好的热电偶,也无法防止某些错误。


    测量冷结温度

    使用热电偶获得热结温时,实现精确的冷端温度测量至关重要。为了保持一致且已知的0°C温度,传统的冷端将在冰冷的水浴中冷却(因此称为“冷端”)。现代热电偶数字IC采用冷端补偿,通过计算和温度测量来补偿冷端温度的影响。温度传感器通常用于测量冷端温度。


    当使用人工冷端补偿时,准确性的一个重要考虑因素是将温度传感器尽可能靠近真正的冷端。另外,请确保冷端和测量IC的温度相同。一种方法是通过最大化两个装置之间的导热性并使它们远离任何热源。无论热电偶引线是直接焊接到电路板还是通过接线端子连接,最小化引线和温度传感器之间的热梯度都可以提高所有温度读数的准确度。


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