詳細介紹熱電偶的工作原理及冷端補償方法

2021-01-08 工控窩

熱電偶是工業測溫常用的儀表,由於比熱電阻等測溫範圍更寬,所以應用廣泛。

工作原理

熱電偶(thermocouple)是溫度測量儀表中常用的測溫元件,它直接測量溫度,並把溫度信號轉換成熱電動勢信號,通過溫度變送器轉換成4-20mA信號引入到控制系統顯示溫度。

熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質導體A和B組成閉合迴路,當兩端存在溫度梯度時,迴路中就會有電流通過,此時兩端之間就存在電動勢——熱電動勢,這就是所謂的塞貝克效應(Seebeck effect)。

熱電偶的電極A、B兩接點通常用電弧焊、電熔焊、錫焊等焊接在一起。焊點要求圓滑、直徑小、接觸好、牢固,增強熱電偶的靈敏度和耐用性。

兩種不同成份的均質導體為熱電極,溫度較高的一端為工作端T,溫度較低的一端為自由端T0,自由端通常處於某個恆定的溫度下。該電動勢的方向和大小與導體的材料及兩接點的溫度有關。

這種現象稱為「熱電效應」,兩種導體組成的迴路稱為「熱電偶」,這兩種導體稱為「熱電極」,產生的電動勢則稱為「熱電動勢」。根據熱電動勢與溫度的函數關係,製成熱電偶分度表;

常用熱電偶分度號

(1)鉑銠10-鉑熱電偶(分度號S)其測溫範圍為0~1600℃

(2)鉑銠30-鉑銠6熱電偶(分度號為B)其測溫範圍為0~1700℃

(3)鎳鉻-鎳矽熱電偶(分度號為K)其測溫範圍為—200~+1200℃

(4)鎳鉻-康銅熱電偶(分度號為E)其測溫範圍為—200~+900℃

冷端補償

分度表是自由端溫度在0℃時的條件下得到的,不同的熱電偶具有不同的分度表。從熱電效應原理可知,其熱電動勢與兩端溫度均有關,而分度表是在冷端溫 度為0℃的條件下給出的。但在實際使用時,冷端常常靠近被測物,且受環境溫度的影 響,其溫度無法保持0℃,這樣就產生了測量誤差。

所以必須採取相應的措施來進行補償或修正,常用的方法有冷端恆溫法、補償導線法、補償電橋法、計算修正法等幾種。

1.1補償導線

補償導線是在一定溫度範圍內(0~100℃)具有與所匹配熱電偶熱電動勢相同標稱值的一對帶有絕緣層的導線,用它們連接熱電偶與測量裝置,以補償它們與熱電偶連接處的溫度變化所產生的誤差。

1.2補償導線

熱電偶材料屬於貴金屬,而補償導線相對便宜。用補償導線與熱電偶的冷端連結,就可以將熱電偶輸出的溫度信號傳輸到遠離數百米的控制室裡,送給顯示儀表或控制儀表。

這就相當於把熱電偶延長到溫度恆定的地方,解決了熱電偶冷端在熱設備附近造成的高溫和溫度不穩定問題,使用方便,是熱電偶安裝中經常採用的。它們是專用導線,一種類型的補償導線只能同相應的一類熱電偶配套使用,而且正、負極性不可接反。

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