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热电偶理论

热电偶技术

热电偶是所有传感器中复杂性最低的一种,因此既坚固耐用,又低成本,非常适用于工业应用领域。

热电偶由两根材质不同的金属导线组成,这两根导线共同连接测量点,称为热接点。热电偶的输出是与热接点和导线冷接点之间的温差成比例的电压。所产生的电压非常小且是非线性的,这便给热电偶仪器制造商带来了设计难题。但如果设计得当,热电偶便是一种成本非常低的传感器,如果损坏则可轻松更换。

热电偶理论

热电偶电路至少有两个接点:测量接点(热接点)和参考接点或冷接点。参考接点是热电偶的两根导线连接测量仪器(例如数据记录器)的接点。这是金属材质从热电偶金属变成测量仪器金属的点,大多数电子数据记录器均采用铜线。

热电偶的输出电压与测量接点和参考接点之间的温差有关。这是 Thomas Seebeck 在1821年观察到一种现象后得出的结论。在该现象中,由两个金属材质不同的导线组成的电路在其中一个接点被加热后改变了电压表指针的位置。

每一类热电偶都有其特有的塞贝克(Seebeck) 电压曲线。 塞贝克曲线取决于热电偶两根导线中使用的金属,所产生的电压以 mV 为单位。 热电偶中使用的几乎所有导线都是合金,合金的同质性对于测量系统的精度至关重要。

应记住,电压不是在热接点处产生的,而是在存在热梯度的区域沿着导线产生的。在精度要求极高的应用场合,在使用热电偶前检查精度时应考虑到这一点。

热电偶类型

热电偶可分为两大类;一类由普通金属制成,一类由贵金属制成。普通金属成本较低,通常为铜、铁或镍合金。合金中金属的确切比例不确定,但电压/温度响应曲线是确定的。因此,在微观层面来看,来自两个不同供应商的普通金属热电偶导线可能具有不同的金属比例。贵金属热电偶由铂和铑等贵金属制成。贵金属的确切纯度和比例是确定的,其电压/温度曲线也是确定的。

下面列出了一些常用的热电偶类型及其使用范围。

热电偶类型

使用范围(不包括电线绝缘限制)

导线组成

Type K

-270 to 1370C  (-454 to 2500F)

Ni-Cr (+ve ) and Ni -Al

Type N

-270 to 1300C  (-454 to 2372F)

Ni-Cr-Si (+ve ) and Ni-Si-Mg

Type T

-270 to 400C (-454 to 752F)

Cu (+ve) and Cu-Ni

Type J

-210 to 1200C (-346 to 2193F)

Fe (+ve) and Cu-Ni

Type E

-270 to 1000C (-454 to 1832F)

Ni-Cr (+ve) and Cu -Ni

Type R

-50 to 1768C (-58 to 3214F)

Pt-13% Rh (+ve) and Pt

Type S

-50 to 1768C (-58 to 3214F)

Pt-10% Rh (+ve) and Pt

Type B

0 to 1768C (32 to 3308F)

Pt-30% Rh (+ve) and Pt

热电偶结构

热电偶的一个关键优势在于:结构简单,能够针对具体应用进行设计;例如,在食品工业中,可将其轻松插到产品中,在金属热处理过程中,可将其焊接在产品上。可将热电偶尖端压平,以获得更好的热接触效果,或将其连接在磁铁上,以便快速固定。

导线绝缘层可采用 PTFE 或玻璃纤维编织带等柔性材料以起到绝缘作用,在温度较高时,还可提供金属或陶瓷护套。

Thermocouple for temperature sensing, measurement and control food probes temperature probes digital probes

热电偶仪表

为确保获得最佳精度,需对热电偶仪表(如数据记录器)的电子和机械结构进行精心设计。仪表的机械设计必须确保,冷接点传感器与热电偶导线连接电路板铜轨/线的接点等温。如果冷接点传感器不能精确地跟踪温度变化,则将导致最终测量结果出现与跟踪偏离度相同的误差。确保该区域不存在热梯度至关重要。

由于热电偶的电压输出很低,只有 4uV/C,因此在对信号进行数字化之前需要先进行放大处理。热电偶通常是长平行导线,通常用于电气设备工作环境较为恶劣的场合,在这种状况下,它们会像天线一样接收干扰信号,因此需要精心设计其电子结构以滤除干扰信号。

simplified diagram showing the cold junction in a thermocouple instrument

总结

热电偶成本低,坚固耐用,应用温度范围广。据估计,美国工业中超过一半的温度读数都是由热电偶测得的。虽然其电压输出值小且非线性,但如果对测量仪器或数据记录器进行精心设计,测量系统便可获得精确且可重复的温度数据。

热电偶理论又称为塞贝克效应,描述了一种两根不同材质的电导体由于存在温差而产生电压差的现象。

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