发布日期：2024-11-19 08:22     点击次数：91

温度是工农业生产中非常普遍和重要的指标。测量温度信号是通过使用各种类型的温度传感器来实现的，例如热电偶、热电阻、热敏电阻等。本文主要介绍热电偶的测量原理和类型以及热电偶的选择。什么是热电偶？当两种不同材料(通常称为热点)的导体或半导体的两端连接(连接点a和b)形成回路时，当两端的连接点TA≠TB时，回路中将产生电动势。温差变化引起的电动势变化称为热电效应，电动势也称为热电势，如图1所示。因为热电势是由两种不同的导体材料产生的，所以它也被称为热电偶。从热电偶的定义可以看出，热电偶可以直接将温度转换成电信号，使得测量简单易行。 图1热电效应原理 热电偶类型为了产生热电偶的热电势，需要满足以下条件:1.两种不同材料的导体或半导体；2.温差的产生，即TA≠TB；当改变TA(称为测量端，也称为热端)的结温时，将TB(称为参考端，也称为冷端)保持在恒温状态，通过热电势与温度的关系可以得到两种材料形成的热电偶分度表。由于热电势指的是EAB(TA，TB)，因此对应于两端结温差的电势差是相关的，对应于温差但温度段不同的信号大小也是不一致的。例如，0 ~ 50℃和50 ~ 100℃之间的温差相同，但信号大小不同。为了准确测量温度信号，一端的温度必须固定，分度台的TB通常为0℃。因此理论上，任何两种导体都可以制成热电偶，但并不是所有的导体都能满足测量要求，如温度测量精度、温度测量范围、温度测量暂态程度等。许多热电材料组合的热电特性已经被测试了很多年。经过100多年的发展，产品的规格和性能已经标准化。目前常用的热电偶有8种，即s、r、b、e、t、j、k、n，其中s、r、b属于贵金属热电偶；e、t、j、k和n属于廉价的金属热电偶。为热电偶类型选择的材料可以在互联网上找到。不同类型的热电偶都有自己测量的最佳温度范围，这将在后续选择中进一步介绍。热电偶测量原理1.热电偶的四个基本经验定律:同质导体定律:当同一同质材料的两端焊接成一个闭合回路时，无论导体两端的温度及其截面如何分布，都不会产生接触电势，而温差电势相互抵消，总电势为零；中间导体定律:将中间导体(第三导体)连接到热电偶回路中。只要中间导体两端的温度相同，中间导体的引入对热电偶回路的总电位没有影响。中温定律:热电偶(金属a和金属b)回路的两个触点(温度t，T0)之间的热电势等于热电偶在温度t，Tn下的热电势和温度Tn，T0下的热电势的代数和，称为中温。参考电极定律:如果由两个导体和第三个导体组成的热电偶产生的热电动力是已知的，那么由这两个导体组成的热电偶产生的热电动力也是已知的。通常当我们测量热电偶产生的热电势时，我们基本上引入第三种材料的导体。例如，当使用万用表测量时，一个简单的模型如图2所示。万用表是金属c，导体材料金属a和金属b测量结ta，金属a和金属c的结TB1，以及金属b和金属c的结TB2 图2简单测量模型 通常，将使用下面图3所示的测量模型。假设万用表的温度相同，万用表的热电势EAC将被抵消，而不会影响整个电路。整个电路的热电势由金属a和金属b材料的热电偶产生，万用表测量的电压为EAB(TA，TB)。结核病此时被称为外部冷端。可以理解，万用表测量的是TA和TB温差之间的热电势。 图3改进的测量模型 在图3的模型中的一个不适当的因素是万用表两端的温度在实际应用中不一定是等温的，导致由电势差引起的测量误差。这将继续导致更好的模型，如图4所示。万用表通过金属碳材料导线引出后，根据平均导体定律，无论温差如何，万用表都不会产生热电势。此时，只需确保TC1、TC2和TB的温度处于相同的恒温条件下，整个模型测得的热电势电压EAB(TA，TB)就是TA和TB温差下的热电势。 图4优化模型 根据中间导体定律，下半部分的连接线可以进一步优化到图5。因此，不难发现下图中的模型仍然是由整个系统测量的热电势的EAB(TA，TB)。因此，我们只需要保持后端连接的金属材料一致，就可以正确测量等温区的温度TB，得到温度TA。 图5简化TC2后 2.冷端补偿如图5所示，JJW(捷捷微电)功率半导体IC汽车芯片 可以知道热电偶的热电势是EAB(TA，TB)。对应于两个接头端之间温差的热电势在分度表中在TB = 0℃时被测量和校准。由于自然环境因素，测量环境很少为0℃，但只要在测量过程中冷端保持在相对稳定的恒温环境中，温度就可以补偿回来。根据中温定律: 然后我们可以发现我们的冷端相当于中间温度Tn，从中间温度Tn到0℃的热电势En0必须通过软件或硬件补偿进入系统。利用高精度热敏电阻或集成电路温度传感器测量我们设计的冷端温度，我们需要测量的实际温度TA只有通过以下变换才能正确获得。这种方法是软件补偿。使用软件补偿的优势在于，它可以兼容多种不同类型的热电偶进行测量。首先，测量Tn并转换成对应于相应热电偶类型的热电势En。将En加到直接测量的热电势EAn中得到的EAB是对应于测量端TA温度为0℃的热电势，然后查找EA0得到最终温度值TA。补偿的目的是校正冷端温度TB≠0℃时的影响。4.不同工业控制环境中热电偶的选择及其优缺点对于不同的工业环境，所需的温度测量范围和精度是不同的。以下是各类热电偶的电极材料及其温度测量范围的简要介绍，所有这些都符合ITS-90国际温度标准。S型:铂铑10 (+)，纯铂(-)，温度范围:-50 ~ 1768℃，0.55紫外/0.1℃；R型:铂铑13 (+)，纯铂(-)，测温范围:-50 ~ 1768℃，0.55紫外/0.1℃；乙类:铂铑30 (+)，铂铑6 (-)，测温范围:0 ~ 1820℃，0.25紫外/0.1℃；K型:镍铬(+)，镍硅(-)，温度范围:-270 ~ 1372℃，4UV/0.1℃；T型:纯铜(+)，铜镍(-)，测温范围:-270 ~ 400℃，4UV/0.1℃；J型:铁(+)，铜镍(-)，测温范围:-210 ~ 1200℃，5UV/0.1℃；氮型:镍铬硅(+)，镍硅(-)，温度范围:-200 ~ 1300℃，2.5紫外/0.1℃；E型:镍铬(+)，铜镍(-)，温度范围:-270 ~ 1000℃，5.6紫外/0.1℃。S型的特点是抗氧化能力强，适合在氧化和惰性气氛中连续使用。在所有热电偶中，S型的精度最高，通常用作标准热电偶。除了热电势相对大于硫之外，R型和S型在性能上基本相同；类型B通常不需要冷端补偿，因为在室温下产生的热电势最小。然而，在0 ~ 250℃的范围内，每10℃的变化只有1 ~ 2 UV，因此会有特别大的测量误差。B型热电偶一般不用于低温测量，一般在250 ~ 1820℃范围内使用。三种贵金属热电偶适用于高温高精度工业控制环境，如塑料成型、高精度模具制造、化工催化剂等。，它们不属于普通热电偶类型。K型具有很强的抗氧化性，适合在氧化和惰性气氛中连续使用。它广泛用于所有热电偶。J型可用于氧化气氛和还原气氛，耐H2和一氧化碳气体腐蚀，主要用于化工和炼油。在常用热电偶中，E型热电势和灵敏度最高，更适合在氧化和惰性气氛中连续使用。氮型在1300℃以下的高温下具有很强的抗氧化性，长期热电势稳定性好，耐核低温，在一些测温环境中可以代替硫型使用。T型热电偶是所有廉价金属热电偶中最精确的，通常用于测量300℃以下的温度。在廉价金属中，钾、钾、钛常用于普通元件的温升试验或开关电源的温度试验。热电偶主要用于多数据测量。摘要设计热电偶测量电路时，应考虑冷端对测量的影响。其次，作为冷端补偿，实际测量的热电势是两个温度之间的温差还是0℃和0℃之间的温差。如有必要，考虑是对热电偶类型进行兼容测量，还是只接受单个热电偶的测量要求进行设计。选择需要使用的热电偶时，应注意所需的测量指标和测量精度，并选择合适的模型。

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