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针对热电偶的工作理念、冷端补偿、选择、类型以及6个注意事项全面解说

来源:发表时间:2019-06-25


      上海自动化仪表三厂热电偶通常是最流行的温度传感器。它们可以便宜,可互换,具有标准连接器并且可以测量宽范围的温度。主要限制是准确性,低于1°C的系统误差可能难以实现。下面本文针对热电偶的工作理念、冷端补偿、选择以及6个注意事项全面解说。
热电偶工作理念
      1822年,一位名叫Thomas Seebeck的爱沙尼亚医生(意外地)发现两种金属之间的连接是如何产生一个与温度有关的电压。热电偶依赖于塞贝克效应。尽管几乎每两种类型的金属都可用于制造热电偶,但由于它们具有可预测的输出电压和巨大的温度梯度,因此使用了许多标准类型。
      K型热电偶是最受欢迎的,它使用镍铬和镍铝合金来产生电压。标准表显示了热电偶在几乎任何温度下产生的电压,因此300°C的K型热电偶将产生12.2mV。不幸的是,简单地连接热电偶温度传感器上的电压表以测量该电压并不容易,因为来自电压表引线的连接肯定会产生额外的,不希望的热电偶结。
热电偶的冷端补偿(CJC)
      为了进行精确测量,需要通过使用称为冷端补偿(CJC)的技术来补偿。您是否想知道为什么将电压表连接到某个热电偶不会产生几个额外的热电偶连接(引线连接到热电偶,通向仪表,仪表内部等),中间金属的法律规定第三种金属,如果两个结点都达到了完全相同的温度,那么插入任何热电偶结的两种不同金属之间就没有任何影响。该定律在热电偶结的构造中也是至关重要的。通过将两种金属焊接在一起来制造热电偶结是可以接受的,因为焊料不会改变读数。在实践中,热电偶接头是通过将两种金属焊接在一起(通常通过电容放电)制造的。这确保了性能不受焊料熔点的限制。
      所有标准热电偶表都允许第二个热电偶连接,假设它必须保持在零摄氏度。传统上,这是用精心构造的冰浴完成的(因此表达“冷”结点补偿)。对于大多数测量应用来说,维持冰浴并不实用,因此记录了将热电偶线连接到测量仪器的特定温度。
      通常使用精密热敏电阻检测冷端温度,该热敏电阻与测量仪器的输入连接器具有良好的热暴露。除了热电偶中的读数之外,该第二温度读数由测量仪器使用以利用热电偶尖端计算真实温度。在折扣关键应用中,CJC由半导体温度传感器执行。通过将来自该半导体的信号与热电偶中的所有信号相结合,可以减去记录两个温度的需要或费用。冷端补偿的想法很重要; 测量冷端温度时的任何误差都会导致热电偶尖端的测量温度出现相同的误差。
      除了应对CJC之外,测量仪器还必须考虑到热电偶输出是非线性的。温度和输出电压之间的连接实际上是一个复数多项式方程(基于热电偶类型的5到9阶)。线性化的模拟方法用于廉价的随机电流表中。高精度仪器将热电偶表存储在计算机内存中,以消除这种错误。
热电偶的选择
      热电偶可以是裸线“珠子”热电偶,可以提供低成本和快速响应时间,也可以内置探头。提供多种探头,适用于不同的测量应用(工业,科学,食品温度,医学研究等)。一句警告:选择探头时,请确保它们具有适当类型的连接器。两种常见的连接器是带有圆形销的“标准”和带有扁销的“微型”连接器,这会引起一些混乱,因为“微型”连接器往往比“标准”类型更受欢迎。
热电偶的类型
      在选择热电偶时,应考虑热电偶类型,绝缘和探头结构。其中大多数都会对可测量的温度范围,精度和读数的寿命产生影响。下面显示的是热电偶类型的主观帮助指南。
在确定热电偶类型时,请确保您的测量设备不会限制可测量的温度范围。请注意,低灵敏度(B,R和S)的热电偶具有相应较低的分辨率。下表总结了各种热电偶类型的有用操作限制,这些限制将在以下段落中进行深入描述。
      K型绝对是“通用”热电偶。它确实是低成本的,并且由于其受欢迎程度,它可以在多种探针中找到。热电偶的温度范围为-200°C至1200°C。灵敏度约为41uV /°C。使用类型K,除非有正当理由不这样做。
E型(Chromel / Constantan)
      E型具有高输出功率(68uV /°C),非常适合低温(低温)使用。另一个特性是它是非磁性的。
J型(铁/康斯坦丁)
      有限的范围(-40至750°C)使J型不如K型受欢迎。主要应用是使用不能接受“现代”热电偶的旧设备。J型不应在760°C以上使用,因为突然的磁转换会导致永久性的校准。
N型(Nicrosil / Nisil)
      高稳定性和处理高温氧化的潜力使得N型适合于高温测量而无需铂(B,R,S)类型的费用。它是一种“改进型”K型,实际上越来越受欢迎。
      B,R和S型热电偶是“贵金属”金属热电偶,具有相似的特性。这些是大多数热电偶中最稳定的,但由于它们的灵敏度低(约10uV / 0C),它们通常只适用于高温测量(> 300°C)。
B型(铂/铑)
      适用于约1800°C的高温测量。异常的B型热电偶(由于其温度/电压曲线模型)在0°C和42°C时提供相同的输出。这使它们在50°C以下无用。
R型(铂/铑)
      适合高温测量约1600°C。低灵敏度(10uV /°C)和成本确保它们不适合一般用途。
S型(铂/铑)
      专为1600°C左右的高温测量而设计。低灵敏度(10uV / vC)和高成本意味着它们不适合一般用途。由于其高稳定性,S型可用作金的熔化原因(1064.43°C)的校准标准。
热电偶的注意事项
      大多数测量问题和热电偶误差都是由于对热电偶工作方式的理解太少造成的。热电偶可能因老化而受到影响,因此精度会有很大差异,特别是在长时间暴露于有用工作范围的极端温度之后。这里列出的是一些常见的问题和需要熟悉的陷阱。
1、连接问题
      许多测量误差是由无意的热电偶连接产生的。不要忘记,两种不同金属的任何连接都可能导致连接。如果必须增加热电偶引线的长度,则需要使用正确形式的热电偶延长线(例如K型热电偶用K型)。使用任何其他类型的导线将引入热电偶结。使用的任何连接器必须使用正确的热电偶材料制造,并且需要观察正确的极性。
2、引线电阻
      为了最大限度地减少热分流并缩短响应时间,热电偶由细线制成(在铂类型的情况下,成本也是一个考虑因素)。这可能导致热电偶经历高电阻,使其对噪声敏感,并且还可能由于测量仪器的输入阻抗而导致误差。带有32AWG电线(直径为.25mm)的标准外露结热电偶可以具有大约15欧姆/米的电阻。如果需要带有细引线或长电缆的热电偶,实际上值得保持热电偶引线短路,然后使用热电偶延长线(可以更厚,因此包括更低的电阻)在热电偶和测量仪器之间工作。在使用前研究热电偶的电阻通常是一个很好的预防措施。
3、Decalibration
      去标准是无意中改变热电偶线的构成的过程。标准原因是在极端工作温度下大气颗粒扩散到金属中。另一个原因是来自绝缘体的杂质和化学物质扩散到热电偶线中。如果在高温下操作,请检查探头绝缘的规格。
4、噪声
      热电偶的输出实际上是一个小信号,因此很容易受到电噪声的影响。大多数测量仪器都会抑制任何共模噪声(导线上的信号相似),因此可以通过将电缆扭绞在一起来最大限度地降低噪声,以确保两根导线都能获得相同的噪声信号。另外,可以使用积分模数转换器来帮助平均掉任何剩余噪声。如果在极其嘈杂的环境中运行(包括靠近dexmpky44大型电机),使用屏蔽延长电缆是值得考虑的。如果怀疑有噪音拾取,请首先关闭所有可疑设备,并在读数发生变化时发现。
5、共模电压
      虽然热电偶信号非常小,但是在测量仪器的输入端通常存在较大的电压。这些电压可能是由电感拾取(测试电机绕组和变压器温度时的问题)或“接地”连接引起的。“接地”连接点的典型示例是使用非绝缘热电偶测量非常热水管的温度。如果接地不良,则管道与测量仪器接地之间可能存在几伏电压。这些信号也是共模(两个热电偶线都相同),因此如果它们不是太大,不会对大多数仪器造成问题。
6、热分流
      所有热电偶都有一定的质量。加热这个质量会消耗能量,因此会改变您希望测量的温度。例如,考虑测量试管中液体的温度:存在两个潜在的问题。首先,热能将穿过热电偶线并散发出大气层,从而降低整个电线的液体温度。如果热电偶不能充分浸入液体内部,由于导线周围较冷的环境空气温度,热传导可能导致热电偶结点变成与液体本身不同的温度,则会出现类似的问题。从上面的例子可以看出,带有较细导线的热电偶可以提供帮助,因为它会在涉及液体和环境空气的交界处导致热电偶线温度下降更陡峭。如果使用带细线的热电偶,则必须考虑引线电阻。使用带有细线的热电偶连接到更厚的热电偶延长线通常可以提供最佳折衷。

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