熱電偶是輸出電流信號還是電壓信號,一文解釋清楚!

2021-01-15 電儀俠客

緒言:這個題目說的4-20mA是通過溫度變送器轉換後標準電流信號,實際上熱電偶輸出的不是標準電流信號,而是非標準電壓信號,電壓信號很弱,通常為mV級別。這裡簡單解釋一下可能還雲裡霧裡,這是儀表方面的知識,接下來重點闡述熱電偶,為題主弄清熱電偶的來龍去脈。

L型熱電偶

上圖是熱電偶實物圖,在化工、冶金、醫藥等行業這種測溫傳感器是很常用的,從事儀表方面的工作的可以對其進行詳細的了解。

淺談熱電偶的原理及應用

熱電偶;把兩種不同材料的導體或半導體A與B任意一端焊接在一起,構成熱電偶。結構原理圖如下所示!

熱電偶迴路圖

圖中熱電極指的是構成熱電偶的兩種不同金屬材料A或B。t指熱端溫度,是插入測溫場所的。to指冷端溫度,置於環境溫度下的。當t大於to時,即兩端溫度不同,有熱電勢產生。因此,它是一種感溫元件,用於溫度這個物理量測量的計量儀表。

上述過程中提到熱電勢這個關鍵詞,熱電偶在工作中產生熱電勢是源自於熱電效應。何為熱電效應?受熱半導體或導體中的電子會隨著溫度梯度從高往低的溫區移動,這個過程中會產生電流或電荷堆積的一種現象,稱熱電效應。其中,溫度與電壓相互轉化的現象又存在三種效應,湯姆孫效應、帕爾帖效應、西伯克效應,具體的不做詳細闡述,這裡把熱電偶產生的熱電勢的組成做詳細的解釋!

熱電勢由接觸電勢與溫差電勢組成。

接觸電勢;上面說了熱電偶是由兩種不同導體或半導體材料構成閉合迴路。假設A電極材料的電子濃度為NA,B電極材料的電子濃度為NB。當NA大於NB,則產生電子濃度差,那麼在工作端A電極材料中的電子向B電極材料擴散。又因為電子是帶負電荷的,失去電子的電極帶正電,得到電子的電極帶負電,所以就形成了電勢。在電子濃度差的作用下,冷端A電極材料中的電子向B電極擴散,得到電子的電極帶負電,失去電子的電極帶正電,因此也形成電勢。

熱電偶熱端接觸電勢圖
熱電偶冷端接觸電勢圖

圖中的T指熱端溫度,EAB(T)指熱端的電勢。To指冷端溫度,EAB(To)指冷端的電勢。

接觸電勢從上面闡述可知,由於兩種不同導體或半導體焊接而成,電極材料中的電子會由高向低移動,從而產生接觸電勢。

溫差電勢;假設其中一個電極的熱端溫度為T,冷端溫度為To。當T大於To,熱端的電子動能大,冷端的電子動能小,於是出現熱端的電子向冷端移動的現象,使得熱端的電位變高,冷端的電位變低,最終形成了溫差電勢。

因此熱電偶在工作過程中,有兩個接觸電勢和兩個溫差電勢,而我們需要的電勢信號是四個電勢的代數和。即EAB(T,To)=EAB(T)-EA(T,To)-EAB(To)+EB(T,To)。從此公式可知,當溫差電勢較小時可以忽略不計,於是總電勢EAB(T,To)=EAB(T)-EAB(To)。於是熱電偶的輸出電勢與熱端電勢及冷端電勢有關,熱端電勢是需要的,而冷端電勢隨著環境溫度不同而不同,因此解決冷端溫度不恆定的因素,在工業上常採取補償導線法。

安裝現場的測溫熱電偶輸出信號要傳輸到二次儀表,才能實現溫度測量及控制。可想而知,安裝位置與二次顯示儀表位置定有一段距離,才能將熱電偶與二次顯示儀表連接,因此所用的連接線稱之為補償導線。這裡要注意的,補償導線對冷端是不起補償作用的,只是把冷端延伸到二次顯示儀表位置處進行處理,提高熱電偶測量精度。所用的熱電偶補償導線有補償型補償導線和延長型補償導線。補償型補償導線產生的電勢與所用熱電偶產生的熱電勢相近。延長型補償導線採用與所用熱電偶電極材料而製成,對於一般測量不太實用,遇到貴金屬材料電極採用延長型補償導線,代價太大。

熱電偶補償導線圖

綜上所述,熱電偶的基本情況如何已做闡述。至於問題,開頭也說了是熱電偶信號傳輸到熱電偶溫度變送器後,從溫度變送器輸出的信號,而不是熱電偶原始的信號。

K型熱電偶溫度變送器圖

通過熱電偶溫度變送器的標準信號不好查閱熱電偶分度表而找出相應的溫度。但甩開溫度變送器,可以直接用萬用表的mv檔測量其熱電勢,此時根據所用熱電偶是K型B型R型及J型E型熱電偶,根據實測的熱電偶熱電勢查閱與之匹配的分度表即可知道工作溫度。

採用溫度變送器將非標準的信號轉換標準電流信號輸出,好處就是在DCS或PLC這邊,所用的模塊不需要專門的熱電偶模塊,採用電流模擬量輸入模塊就可實現溫度的監控與控制。

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