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热电偶测量温度的电气方法以及仪表信号分析

来源:www.morrisnunn.com作者:发表时间:2016-11-09 09:04:06

        在仪器领域中应用的一个有趣的现象是塞贝克效应,其是由于沿着导线的温度差而在导线的长度上产生小的电压。这种效应最容易观察到并应用于接触的两种不同金属的接点,每种金属沿其长度产生不同的塞贝克电压,其转化为两个(未接合的)导线端部之间的电压。大多数不同的金属对将在其结加热时产生可测量的电压,一些金属的组合在每度的温度下产生比其它金属更多的电压:

        塞贝克效应是相当线性的;也就是说,由两条导线的加热结产生的电压与温度成正比。这意味着金属接线的温度可以通过测量产生的电压来确定。因此,塞贝克效应为我们提供了一种温度测量的电气方法。

        当为了测量温度而将一对不同金属连接在一起时,所形成的器件称为热电偶广东11选5。仪器制造的热电偶使用高纯度金属获得准确的温度/电压关系(尽可能线性和可预测)。

        塞贝克电压相当小,在大多数温度范围内几十毫伏。这使得它们难以准确测量。此外,不同金属之间的任何结点将产生温度依赖电压的事实,当我们尝试将热电偶连接到电压表,完成电路时,会产生一个问题:

        由热电偶和顶部导线上的仪表之间的连接形成的第二铁/铜结将产生与在测量结处产生的电压极性相反的温度相关电压。这意味着电压表的铜引线之间的电压将是两个结之间的温度差的函数,而不是测量结处的温度。即使对于其中铜不是不同金属之一的热电偶类型,连接测量仪器的铜引线的两种金属的组合形成等效于测量结的结:

        该第二结被称为参考或冷结,以将其与测量端处的结区分开,并且没有办法避免在热电偶电路中具有一个结。在一些应用中,需要在两个点之间进行差分温度测量,并且热电偶的这种固有属性可以用于制造非常简单的测量系统。

广东11选5        然而,在大多数应用中,意图是仅在单个点处测量温度,并且在这些情况下,第二结变为功能的一种负担。

        由参考端产生的电压的补偿通常由专用电路执行,专用电路用于测量那里的温度并产生相应的电压以抵消参考端的效应。在这一点上,你可能想知道,“如果我们必须采取一些其他形式的温度测量,以克服热电偶的特性,那么为什么要使用热电偶来测量温度呢?为什么不使用这种其他形式的温度测量,无论它是什么工作?“答案是这样的:因为用于参考结补偿的其他形式的温度测量不像热电偶结那样稳健或通用,但是在参考连接点测量室温的工作相当好。例如,热电偶测量接头可以插入铸造保温炉的1800度(F)烟道中,而参考接合点在环境温度下位于金属柜中一百英尺远处,其温度由设备测量,该设备可以永远不会在炉的热或腐蚀性气氛中生存。

        热电偶连接产生的电压严格取决于温度。热电偶电路中的任何电流都是与该电压相反的电路电阻的函数(I = E / R)。换句话说,温度和塞贝克电压之间的关系是固定的,而温度和电流之间的关系是可变的,这取决于电路的总电阻。使用足够大的热电偶导体,可以从单对热电偶接头产生高达数百安培的电流! (我实际上在实验室实验中看到了这一点,使用铜和铜/镍合金的重杆来形成结和电路导体)。

        为了测量的目的,在热电偶电路中使用的电压表被设计为具有非常高的电阻,以便避免沿着热电偶线的任何引起误差的电压降。沿着导体长度的电压降的问题在这里比前面讨论的DC电压信号更严重,因为这里我们只有由结产生的几毫伏的电压。我们根本不能在导体长度上甚至有一毫伏的电压,而不会引起严重的温度测量误差。

        理想地,然后,热电偶电路中的电流为零。早期的热电偶指示仪器使用零平衡电位测量电路来测量结电压。早期的Leeds&Northrup“Speedomax”系列温度指示器/记录仪是这种技术的一个很好的例子。更现代的仪器使用半导体放大器电路,以允许热电偶的电压信号驱动指示装置,在电路中汲取很少或没有电流。

        然而,热电偶可以由用于低电阻的大规格线构成,并且以这样的方式连接,以便产生用于除了温度测量之外的非常高的电流。一个这样的目的是发电。通过串联连接许多热电偶,每个结点交替的热/冷温度,可以构造称为热电堆的装置以产生大量的电压和电流:

广东11选5        在左和右组的结处于相同温度下,每个结处的电压将相等,并且相反的极性将抵消到零的最终电压。然而,如果左集合结被加热并且右集合被冷却,则每个左结点处的电压将大于每个右结点,导致总输出电压等于所有结点对差分的总和。在热电堆中,这正是如何设置的。将热源(燃烧,强放射性物质,太阳能热等)施加到一组接合处,而另一组接合到某种类型的散热器(空气或水冷却)。有趣的是,当电子流过连接到热电堆的外部负载电路时,热能从热结传递到冷结,表现出另一种热电现象:所谓的珀耳帖效应(电流传递热能)。

        热电偶的另一个应用是测量几个位置之间的平均温度。最简单的方法是将几个热电偶并联连接。每个热电偶产生的毫伏信号将在并联连接点处平均输出。结之间的电压差沿热电偶线的电阻下降:

        不幸的是,这些塞贝克电压电位的准确平均依赖于每个热电偶的导线电阻相等。如果热电偶位于不同的位置并且它们的电线在单个位置并联连接,则不太可能具有相等的电线长度。具有从测量点到并联点的最大导线长度的热电偶将倾向于具有最大的电阻,因此对产生的平均电压具有最小的影响。

        为了帮助补偿这一点,可以向每个并联热电偶电路分支添加额外的电阻,以使它们各自的电阻更相等。没有为每个分支定制尺寸电阻(以使电阻在所有热电偶广东11选5之间精确地相等),可以接受的是简单地安装具有相等值的电阻器,其显着高于热电偶线的电阻,使得那些线电阻将具有小得多的影响对总支路电阻的影响。这些电阻称为阻尼电阻,因为它们的相对高的值遮蔽或“衰减”热电偶线自身的电阻:

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