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熱電偶測量溫度的電氣方法以及儀表信號分析

來源:www.kimmosasi.net作者:發表時間:2016-11-09 09:04:06

        在儀器領域中應用的一個有趣的現象是塞貝克效應,其是由於沿著導線的溫度差而在導線的長度上產生小的電壓。這種效應最容易觀察到並應用於接觸的兩種不同金屬的接點,每種金屬沿其長度產生不同的塞貝克電壓,其轉化為兩個(未接合的)導線端部之間的電壓。大多數不同的金屬對將在其結加熱時產生可測量的電壓,一些金屬的組合在每度的溫度下產生比其它金屬更多的電壓:

        塞貝克效應是相當線性的;也就是說,由兩條導線的加熱結產生的電壓與溫度成正比。這意味著金屬接線的溫度可以通過測量產生的電壓來確定。因此,塞貝克效應為榴莲视频下载app免费提供了一種溫度測量的電氣方法。

        當為了測量溫度而將一對不同金屬連接在一起時,所形成的器件稱為熱電偶。儀器製造的熱電偶使用高純度金屬獲得準確的溫度/電壓關係(盡可能線性和可預測)。

        塞貝克電壓相當小,在大多數溫度範圍內幾十毫伏。這使得它們難以準確測量。此外,不同金屬之間的任何結點將產生溫度依賴電壓的事實,當榴莲视频下载app免费下载嚐試將熱電偶連接到電壓表,完成電路時,會產生一個問題:

        由熱電偶和頂部導線上的儀表之間的連接形成的第二鐵/銅結將產生與在測量結處產生的電壓極性相反的溫度相關電壓。這意味著電壓表的銅引線之間的電壓將是兩個結之間的溫度差的函數,而不是測量結處的溫度。即使對於其中銅不是不同金屬之一的熱電偶類型,連接測量儀器的銅引線的兩種金屬的組合形成等效於測量結的結:

        該第二結被稱為參考或冷結,以將其與測量端處的結區分開,並且沒有辦法避免在熱電偶電路中具有一個結。在一些應用中,需要在兩個點之間進行差分溫度測量,並且熱電偶的這種固有屬性可以用於製造非常簡單的測量係統。

        然而,在大多數應用中,意圖是僅在單個點處測量溫度,並且在這些情況下,第二結變為功能的一種負擔。

        由參考端產生的電壓的補償通常由專用電路執行,專用電路用於測量那裏的溫度並產生相應的電壓以抵消參考端的效應。在這一點上,你可能想知道,“如果榴莲视频下载app视频免费必須采取一些其他形式的溫度測量,以克服熱電偶的特性,那麽為什麽要使用熱電偶來測量溫度呢?為什麽不使用這種其他形式的溫度測量,無論它是什麽工作?“答案是這樣的:因為用於參考結補償的其他形式的溫度測量不像熱電偶結那樣穩健或通用,但是在參考連接點測量室溫的工作相當好。例如,熱電偶測量接頭可以插入鑄造保溫爐的1800度(F)煙道中,而參考接合點在環境溫度下位於金屬櫃中一百英尺遠處,其溫度由設備測量,該設備可以永遠不會在爐的熱或腐蝕性氣氛中生存。

        熱電偶連接產生的電壓嚴格取決於溫度。熱電偶電路中的任何電流都是與該電壓相反的電路電阻的函數(I = E / R)。換句話說,溫度和塞貝克電壓之間的關係是固定的,而溫度和電流之間的關係是可變的,這取決於電路的總電阻。使用足夠大的熱電偶導體,可以從單對熱電偶接頭產生高達數百安培的電流! (我實際上在實驗室實驗中看到了這一點,使用銅和銅/鎳合金的重杆來形成結和電路導體)。

        為了測量的目的,在熱電偶電路中使用的電壓表被設計為具有非常高的電阻,以便避免沿著熱電偶線的任何引起誤差的電壓降。沿著導體長度的電壓降的問題在這裏比前麵討論的DC電壓信號更嚴重,因為這裏榴莲视频下载app免费完整隻有由結產生的幾毫伏的電壓。榴莲视频下载app免费下载根本不能在導體長度上甚至有一毫伏的電壓,而不會引起嚴重的溫度測量誤差。

        理想地,然後,熱電偶電路中的電流為零。早期的熱電偶指示儀器使用零平衡電位測量電路來測量結電壓。早期的Leeds&Northrup“Speedomax”係列溫度指示器/記錄儀是這種技術的一個很好的例子。更現代的儀器使用半導體放大器電路,以允許熱電偶的電壓信號驅動指示裝置,在電路中汲取很少或沒有電流。

        然而,熱電偶可以由用於低電阻的大規格線構成,並且以這樣的方式連接,以便產生用於除了溫度測量之外的非常高的電流。一個這樣的目的是發電。通過串聯連接許多熱電偶,每個結點交替的熱/冷溫度,可以構造稱為熱電堆的裝置以產生大量的電壓和電流:

        在左和右組的結處於相同溫度下,每個結處的電壓將相等,並且相反的極性將抵消到零的最終電壓。然而,如果左集合結被加熱並且右集合被冷卻,則每個左結點處的電壓將大於每個右結點,導致總輸出電壓等於所有結點對差分的總和。在熱電堆中,這正是如何設置的。將熱源(燃燒,強放射性物質,太陽能熱等)施加到一組接合處,而另一組接合到某種類型的散熱器(空氣或水冷卻)。有趣的是,當電子流過連接到熱電堆的外部負載電路時,熱能從熱結傳遞到冷結,表現出另一種熱電現象:所謂的珀耳帖效應(電流傳遞熱能)。

        熱電偶的另一個應用是測量幾個位置之間的平均溫度。最簡單的方法是將幾個熱電偶並聯連接。每個熱電偶產生的毫伏信號將在並聯連接點處平均輸出。結之間的電壓差沿熱電偶線的電阻下降:

        不幸的是,這些塞貝克電壓電位的準確平均依賴於每個熱電偶的導線電阻相等。如果熱電偶位於不同的位置並且它們的電線在單個位置並聯連接,則不太可能具有相等的電線長度。具有從測量點到並聯點的最大導線長度的熱電偶將傾向於具有最大的電阻,因此對產生的平均電壓具有最小的影響。

        為了幫助補償這一點,可以向每個並聯熱電偶電路分支添加額外的電阻,以使它們各自的電阻更相等。沒有為每個分支定製尺寸電阻(以使電阻在所有熱電偶之間精確地相等),可以接受的是簡單地安裝具有相等值的電阻器,其顯著高於熱電偶線的電阻,使得那些線電阻將具有小得多的影響對總支路電阻的影響。這些電阻稱為阻尼電阻,因為它們的相對高的值遮蔽或“衰減”熱電偶線自身的電阻:

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