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浦光热电偶的使用基于定律及冷端温度补偿方法
浏览:83 次 发布日期:2017-10-06

摘 要:热电偶是可以将温度量转化为电动势大小的热电势传感器,其构造简单,使用方便,且具有准确度、稳定性高,温度 测量范围宽等优点。介绍了热电偶具有的三个使用基于定律,论述了热电偶测量时产生的冷端温度误差以及采用的冷端温度补偿方法。

 
人们的生产和生活往往与温度息息相关,热电偶就是一种 常见的接触式温度传感器,尽管构造简单,但同样有其使用要求 和规律。对热电偶的使用基于定律和冷端温度补偿方法的研究
有助于我们更灵活更有效地在实际生活中使用热电偶。 
 
1 热电偶的结构及原理 
 
热电偶作为一种简单的无源传感器件,不需要在外界接通 电源即可测量出温度量。其构造也比较简单,非常简单的热电偶可 以由两种不同的导体 A和 B,将其两端结点连接在一起形成回路 即可,其中一端为测量端 T,另一端为参考端 T0,该闭合回路也被称之为热电偶,导体 A 或 B 则被称为热电极或热偶丝,其两个结点中,被测对象温度的结点称为测量端,参考温度的结点称为参考端。如图 1 所示。 
热电偶的结构图
热电偶的热电动势是因为存在着由于两不同导体连接所产生的接触电动势和导体自身受温度影响的温差电动势。接触电 动势是因为两个不同导体的材料不同,其内部的自由电子密度也不相同,当两者接触时电子存在扩散运动,从而在该地方形成电 动势。温差电动势是因为导体两端温度不同的情况下在高温端失去电子而带正电荷,低温端得到电子而带负电荷形成的一种热电动势,也称汤姆逊电动势。 设热电偶 AB 的两个接触电动势为 EAB(T)和 EAB(T0),两个温 差电动势为 E(A T,T0)和 E(B T,T0),因此由金属导体 A,B 组成的热电偶回路中总的电动势可表示为:
       EAB(T,T0)=EAB(T)+E(B T,T0)- EAB(T0)- E(A T,T0) 
在总热电动势中,由于温差电动势与接触电动势相比要小 许多,温差电动势的大小可以近似忽略,因此简化后的热电偶电 动势为:       EAB(T,T0)=EAB(T)- EAB(T0) 
热电偶需要注意如下问题:(1) 必须要用两种不同的材料制 作回路,否则其回路的电动势始终为零;(2)若热电偶测量的两节点的温度是相等的,回路中电动势会为零;(3)热电偶的热电动势 只与两测量节点的温度有关,与导体中其它各处的温度无关。
 
2 热电偶的使用基于定律
2.1 中间温度定律。热电偶 AB 的热电动势仅与热电偶的材 料和两个结点的温度有关,而与温度沿热电极的分布以及热电极 的尺寸和形状无关,这就是中间温度定律。假设每个导体中间存 在着一结点 Tn,则中间温度定律的数学模型可表示为: EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn+T0) 因此,在实际运用过程中,通过中间温度定律,只要自由端温 度固定,即使自由端不是零摄氏度情况下,也能够依据分度表利 用上式测量温度。
 
2.2 中间导体定律。在热电偶 AB 回路中,在断开某一位置接入第三个导体 C,只要接入的第三导体 C 两端温度相同,就不会影响回路中的总热电动势,这就是中间导体定律。其具有两种接 入方式,如图 2 和图 3 所示所示。
断开参考点接入方式断开其中一导体接入方式
 
因此,当回路长度不足时,我们往往需要从回路中引出导线 或仪表的时候,只要保证引出两端的温度始终相等,就不会影响热电偶回路中的热电动势。
 
2.3 标准电极定律。假设有热电偶 AC 和热电偶 BC,若热电 偶回路中的两个结点温度为 T、T0,则用导体 AB 组成的热电偶的 热电动势等于该两个热电动势代数和。 设热电偶 AC 的热电动势 EAC(T,T0)- EAC(T)- EAC(T0),热电偶BC 的热电动势 EBC(T,T0)=EBC(T)- EBC(T0),则利用中间导体定律后可以表示为:
     EAC(T,T0)- EBC(T,T0)=EAB(T)+EBA(T0)=EAB(T)- EAB(T0)- EAB(T, T0)
 
因此导体 C 为标准电极。在实际生活中,标准电极 C 通常采 用纯铂丝,若已有各种热电极对铂极的热电动势值,就可以用标 准电极定律得到这些材料中任意两种配成热电偶后的热电动势, 方便了热电偶的选配。
 
3 热电偶的冷端温度补偿 
      由以上的原理可以知道,热电偶的热电动势与测量端的温度 和冷端的温度都有关系。只需保持住冷端温度为零,或者是一个恒定值的时候即可准确测量测量端上的温度。但实际情况下冷端 温度往往存在扰动或是偏于基准值的现象。比如由于导体在测量 温度时,线路中的电流运动往往会存在热散失现象。此外,因为能 量守恒定理,冷端的电流运动会使冷端温度上升,而热端反而下 降。所以我们需要通过采用一些温度补偿方法来稳定冷端温度,从而减少对测量温度的干扰。
 
3.1 导线补偿法。实际的工业生产和生活需要中,显示仪表往往无法安装在测量对象的旁边,这时要用其它导线延伸热电偶 使得热电偶测量在较远距离的场所。由于热电偶一般较短,会使 得冷端离被测对象很近,导致冷端温度较高,受到影响也大,因此 可以利用补偿导线将热电偶冷端延伸出来,该导线在一定温度范 围内能够与热电偶具有相同热电性质。
 
3.2 电桥补偿法。选择适当的电桥,且在电桥桥臂中设置一 个电阻与热电偶冷端感受相同的温度变化。开始时冷端温度不 变,电桥平衡,当环境温度产生变化时,因为桥臂上其中一个电阻 与热电偶冷端感受到相同变化,电桥平衡被打破产生不平衡电压 ,通过这个不平衡电压来补偿因为冷端温度变化时造成的热电动势变化
3.3 冰浴法。把热电偶冷端至于冰水混合物中,即可保证冷 端温度等于零摄氏度。
3.4 计算法。大多数情况下冷端温度不能保持在零摄氏度, 这时通过热电偶的中间温度定律的计算公式,再结合分度表查询 就可以得出热电偶测量端的实际温度。
 
3.5 软件处理法。在硬件处理热电偶冷端不方便的情况下, 可以利用计算机对冷端温度进行修正,如当冷端温度不为零但恒定时,在采样后添加常数即可。如果测量经常波动,可以利用一些 运算程序对其进行修正等来提高精确度。 
 
4 结论
随着科技的进步和发展,传感器的精度问题值得我们越来越 重视。热电偶在生活中有着广泛的应用。利用中间温度定律,在使 用热电偶的时候冷端不一定为零摄氏度也能得到测量值;通过中 间导体定律,可以用第三种导体从热电偶冷端引出进行测量,从 而节省贵金属的使用;由标准电极定律可得,利用好标准电极即 可求出任意两种材料电动势。结合热电偶冷端温度补偿的 5 种方 法,能极大的提高热电偶的测量精度,使其在未来的使用和发展 中具有更积极的意义。
 


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