热电偶测量原理.doc

温度测量与热电偶冷端补偿温度测量是测量领域最重要的功能之一,频繁应用于气象观测、环境研究、实验室以及其他各种生产过程。在特定条件下的产品制造与工业质量保持稳定方面,温度测量是基础且十分重要。因此, 本文将描述工业领域温度测量中广泛使用的温度传感器的热电偶和电阻温度传感器(RTD) 的测量原理及热电偶冷端补偿相关知识。热电偶测温的基本原理: 两个不同导体 A与 B 串接成一个闭合回路, 如图 a 所示, 当两个接点的温度不同时(设 T>T0) , 回路中就会产生热电动势,这种现象称为热电效应。这种现象是 1821 年德国科学家赛贝克() 发现的,所以又称塞贝克效应。热电偶的基本构成: 导体的 A和 B 称为热电偶的热电极。放置在被测对象中的接点称为测量端, 习惯上又叫做热端。另一接点称为参考端(参比端) ,习惯上又叫冷端。热电动势的测量: 热电动势包括接触电势和温差电势。温差电势远比接触电势小, 可以忽略。这样闭合回路中的总热电势可近似为接触电势。根据实验数据把热电势 EAB(T , T0) 和温度 T 的关系绘成曲线或列成表格( 分度表), 则只要用仪表测得热电势, 就可以求出被测温度 T。在理解热电偶测温原理时我们需要知道热电偶的几个特性: 1、组成热电偶回路的两种导体材料相同时,无论两接点温度如何, 回路总热电势等于零。 2、如果热电偶两接点的温度相同, T=T0 ,则尽管导体 A,B 材料不同,热电偶回路的总电势亦为零。热电偶回路的总电势仅与两接点温度有关,与 A、B 材料的中间温度无关。 3、在热电偶回路中接入第三种材料的导体时, 只要这根导体的两端温度相同, 则不会影响原来回路的总热电势。这一性质称为中间导体定律。在用热电偶丝进行温度测量时,热电偶的冷端补偿是必不可少的。那为什么要进行冷端补偿呢? 从热电偶的测温原理知道, 热电偶热电势大小不但与热端温度有关, 而且与冷端温度有关。只有在冷端温度恒定的情况下,热电势才能正确反映热端温度大小。在实际运用中,热电偶冷端受环境温度波动的影响较大,因此冷端温度不可能恒定,而要保持输出电势是被测温度的单一函数值, 必须保持一个节点温度恒定。热电偶技术条件都是指冷端( 非工作端) 处在 0℃时的电动势,要求工作时, 保持 0℃, 这样热电势才能正确反映热端温度大小, 否则就会产生误差。有很多种可用于测量温度的热电偶类型, 它们的温度电动势特性如下图: 下表总结了典型的热电偶类型及其优缺点: 类型优点缺点 B 1、适用于 1000 ℃或以上的高温测量。 2、室温下具有非常低的导热性,无需补偿导线。 3、极好的耐酸性和耐化学性。 1、中低温范围内导热性低,600 ℃或600 ℃以下时无法进行测量。 2、低灵敏度。 3、低温差电动势线性。价格昂贵。 R/S 1、高精确性和低变更、低退化性。 2、极好的耐酸性和耐化学性。 3、可作为标准使用。 1、低灵敏度。易受还原气氛影响(尤其是氢气或金属蒸气)。 2、导致重大的补偿导线错误。 3、价格昂贵。 N 1、具有极好的温差电动势线性。 2、在1200 ℃或1200 ℃以下具有极好的耐酸性。 3、不受短程排序影响。 1、不适用于还原气氛。 2、与贵金属热电偶相比,易遭受大的长期的改变。 K 1、具有极好的温差电动势线性。 2、在1000 ℃或1000 ℃以下具有极好的耐酸性。 3、在贱金属热电偶中具有极好的稳定性。 1、不适用于还原气氛。 2、与贵金属热电偶相比,易遭受大的长期的改变。 3、易受短程排序导致的错误影响。 E 1、是当前最灵敏的热电偶。 2、具备比 J类型更好的耐热性。 3、两个支架都是无磁的。 1、不适用于还原气氛。 2、有轻微磁滞现象。 J 1、可用于还原气温。 2、导热性高出 K类型约 20%。 1、正极(“+”)铁支架易生锈。 2、特性不稳定。 T 1、具有极好的温差电动势线性。 2、在低温下仍有很好的特性。 3、质量变化小。 4、可用于还原气温。 1、低使用限制。 2、正极(“+”)铜支架易氧化。 3、导致重大的热传导错误。冷端补偿原理及方法: 测量温度时要求其冷端( 测量端为热端, 通过引线与测量电路连接的端称为冷端) 的温度保持不变, 其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时, 冷端的( 环境) 温度变化, 将影响严重测量的准确性。在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。热电偶的冷端补偿通常采用在冷端串联一个由热电阻构成的电桥。电桥的三个桥臂为标准电阻,另外有一个桥臂由(铜)热电阻构成。当冷端温度变化(比如升高) ,热电偶产生的热电势也将变化(减小), 而此时串联电桥中的热电阻阻值也将变化并使电桥两端的电压也发生变化(升高) 。如果参数选择得好且接线正确,电桥