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详细概述关于热电偶的冷端补偿、线性化、类型及其6个使用注意事项
添加时间:2020-03-30

上海自动化仪表有限公司自动化仪表三厂热电偶是最受欢迎的温度传感器。它们便宜,可互换,具有标准连接器,可以测量各种温度。主要限制是准确性:可能难以实现低于1°C的系统误差。下面上海自动化仪表有限公司自动化仪表三厂的专家们为您全面概述关于热电偶的冷端补偿、线性化、类型及其6个使用注意事项。
      1822年,一位名叫Thomas Seebeck的爱沙尼亚物理学家发现,两种金属之间的连接产生的电压是温度的函数。热电偶依赖于塞贝克效应。尽管几乎任何两种类型的金属都可以用于制造热电偶,但是使用了许多标准类型,因为它们具有可预测的输出电压和大的电压/温度梯度。该图显示了K型热电偶,这是最受欢迎的。
 

热电偶冷端补偿
      标准表显示了热电偶在任何给定温度下产生的电压,因此例如在上图中,300°C的K型热电偶将产生12.2 mV。不幸的是,不可能简单地将电压表连接到热电偶来测量该电压,因为电压表引线的连接将产生第二个不希望的热电偶结。为了进行精确测量,必须使用称为冷端补偿(CJC)的技术对其进行补偿。如果您想知道为什么将电压表连接到热电偶不会产生几个额外的热电偶连接(引线连接到热电偶,通向仪表,仪表内部等),中间金属定律规定,如果两个结处于相同温度,则插入热电偶结的两种不同金属之间的第三种金属将不起作用。该定律在热电偶结的构造中也很重要。通过将两种金属焊接在一起来制造热电偶结是可以接受的,因为焊料不会影响读数。然而,在实践中,热电偶结通过将两种金属焊接在一起(通常通过电容放电)来制造,因为这确保了性能不受焊料熔点的限制。通过将两种金属焊接在一起来制造热电偶结是可以接受的,因为焊料不会影响读数。然而,在实践中,热电偶结通过将两种金属焊接在一起(通常通过电容放电)来制造,因为这确保了性能不受焊料熔点的限制。通过将两种金属焊接在一起来制造热电偶结是可以接受的,因为焊料不会影响读数。然而,在实践中,热电偶结通过将两种金属焊接在一起(通常通过电容放电)来制造,因为这确保了性能不受焊料熔点的限制。
      所有标准热电偶表都允许第二个热电偶连接,假设它保持在零摄氏度。传统上,这是通过精心构造的冰浴完成的(因此称为“冷”结合补偿)。对于大多数测量应用来说,维持冰浴是不实际的,因此记录了热电偶线连接到测量仪器的实际温度。
      通常,冷结温度由精密热敏电阻检测,与测量仪器的输入连接器良好热接触。测量仪器使用该第二温度读数以及热电偶本身的读数来计算热电偶尖端的真实温度。对于不太关键的应用,CJC由半导体温度传感器执行。通过将来自该半导体的信号与来自热电偶的信号组合,可以在不需要或花费记录两个温度的情况下获得正确的读数。了解冷端补偿很重要; 冷结温度测量中的任何误差都会导致热电偶尖端的测量温度出现相同的误差。
热电偶线性化
      除了处理CJC之外,测量仪器还必须考虑到热电偶输出是非线性的。温度和输出电压之间的关系是高阶多项式方程(取决于热电偶类型,为5至9阶)。模拟线性化方法用于低成本热电偶仪表。诸如Pico TC-08之类的高精度仪器将热电偶表存储在计算机存储器中以消除这种误差源。
热电偶类型
      热电偶可作为裸线“磁珠”热电偶提供,可提供低成本和快速响应时间,或内置于探头中。提供各种探头,适用于不同的测量应用(工业,科学,食品温度,医学研究等)。一句警告:选择探头时要注意确保它们具有正确类型的连接器。两种常见类型的连接器是带有圆形销的“标准”和带有扁销的“微型”连接器。这引起了一些混乱,因为“微型”连接器比“标准”类型更受欢迎。
      选择热电偶时,应考虑热电偶类型,绝缘和探头结构。所有这些都会对可测量的温度范围,读数的准确性和可靠性产生影响。下面列出的是热电偶类型的指南(有点主观)。
K型(铬镍铝合金/ alumel)
      K型是“通用”热电偶。它价格便宜,并且由于其受欢迎程度,它可用于各种探头。热电偶的工作温度范围为-200°C至+ 1200°C。灵敏度约为41μV/°C。使用K型除非你有充分的理由不这样做。
E型(铬镍/康铜)
      E型具有高输出(68μV/°C),非常适合低温(低温)使用。它也是非磁性的。
J型(铁/康铜)
      有限的范围(-40到+ 750°C)使J型不如K型受欢迎。主要应用是旧设备,不能接受'现代'热电偶。J型不应在760°C以上使用,因为突然的磁转换会导致永久性的校准。
N型(nicrosil / nisil)
      高稳定性和耐高温氧化性能使N型适用于高温测量而无需铂(B,R,S)类型的成本。设计为“改进型”K型,它正变得越来越流行。
      B,R和S型热电偶都是“贵金属”金属热电偶,具有相似的特性。它们是所有热电偶中最稳定的,但由于其灵敏度低(约10μV/°C),它们通常仅用于测量高温(> 300°C)。
B型(铂/铑)
      适用于高达1800°C的高温测量。不同寻常的是,B型热电偶(由于其温度/电压曲线的形状)在0°C和42°C时提供相同的输出。这使它们在50°C以下无用。
R型(铂/铑)
      适用于高达1600°C的高温测量。低灵敏度(10μV/°C)和高成本使它们不适合通用。
S型(铂/铑)
      适用于高达1600°C的高温测量。低灵敏度(10μV/°C)和高成本使它们不适合通用。由于其高稳定性,S型被用作金的熔点(1064.43°C)的校准标准。
范围和灵敏度
      选择热电偶类型时,请确保您的测量设备不限制可测量的温度范围。请注意,低灵敏度(B,R和S)的热电偶具有相应较低的分辨率。
 

      图表显示了不同温度下热电偶的电压输出。请注意,铂基热电偶的输出功率非常低,这就解释了为什么它们的使用仅限于测量高温。
 

热电偶的使用注意事项
      大多数测量问题和热电偶误差都是由于对热电偶的工作原理缺乏了解。下面列出了一些需要注意的常见问题和陷阱。
1、连接问题
      许多测量误差是由无意的热电偶连接引起的。请记住,任何两种不同金属的连接都会形成连接。如果需要延长热电偶的引线,则必须使用正确类型的热电偶延长线(例如K型热电偶的K型)。使用任何其他类型的导线将引入热电偶结。使用的任何连接器必须由正确的热电偶材料制成,并且必须遵守正确的极性。
2、引线电阻
      为了最大限度地减少热分流并缩短响应时间,热电偶由细线制成(在铂类型的情况下,成本也是一个考虑因素)。这可能导致热电偶具有高电阻,这会使其对噪声敏感,并且还可能由于测量仪器的输入阻抗而导致误差。具有32 AWG电线(直径0.25 mm)的典型外露结热电偶将具有大约15欧姆/米的电阻。Pico TC-08的输入阻抗为2MΩ,因此12米电缆的误差小于0.01%。如果需要带有细导线或长电缆的热电偶,则值得保持热电偶引线短路,然后使用热电偶延长线(厚度更大,电阻更低)在热电偶和测量仪器之间运行。
3、Decalibration
      这是无意中改变热电偶线的构成的结果。通常的原因是在极端的工作温度下大气颗粒扩散到金属中。另一个原因是来自绝缘体的杂质和化学物质扩散到热电偶线中。如果在高温下操作,请检查探头绝缘的规格。
4、噪声
      热电偶的输出信号很小,因此很容易产生电噪声。大多数测量仪器(例如TC-08)都会抑制任何共模噪声(两根导线上的信号相同),因此可以通过将电缆扭绞在一起来最大限度地降低噪声,以确保两根导线都能获得相同的噪声信号。此外,TC-08使用集成模数转换器,有助于平均掉任何剩余噪声。如果在极其嘈杂的环境中工作(例如靠近大型电机),则值得考虑使用屏蔽延长电缆。如果怀疑是拾取噪音,请首先关闭所有可疑设备并查看读数是否发生变化。
5、共模电压
      虽然热电偶信号非常小,但是在测量仪器的输入端通常存在更大的电压。这些电压可能是由电感拾取(测试电机绕组和变压器温度时的问题)或“接地”连接引起的。“接地”连接的典型示例是使用非绝缘热电偶测量热水管的温度。如果接地不良,则管道与测量仪器接地之间可能存在几伏电压。这些信号也是共模(两个热电偶线都相同),因此如果它们不是太大,大多数仪器都不会出现问题。例如,TC-08的共模输入范围为-4 V至+4 V.如果共模电压大于此值,将导致测量误差。
6、热分流
      所有热电偶都有一定的质量。加热此质量需要能量,因此会影响您要测量的温度。考虑例如测量试管中液体的温度:存在两个潜在的问题。首先,热能将沿热电偶线向上传播并消散到大气中,从而降低电线周围液体的温度。如果热电偶没有充分浸入液体中,则会出现类似的问题。由于导线上较冷的环境空气温度,热传导可能导致热电偶结与液体本身处于不同的温度。在上面的例子中,具有较细线的热电偶可能有所帮助,因为它将在液体和环境空气之间的连接处沿着热电偶线引起更陡的温度梯度。如果使用带细线的热电偶,则必须考虑引线电阻。使用带有细线的热电偶连接到更厚的热电偶延长线通常可以提供最佳折衷。


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