定義:熱電偶是一種常見的溫度測量儀器。它用于測量一個特定點的溫度,換句話說,它是一種用于以電流或電動勢形式測量溫度的傳感器。
熱電偶由兩根不同金屬材質(zhì)的導(dǎo)線組成,兩個導(dǎo)線的末端焊接在一起。焊接部分形成用于測量溫度的結(jié),我們稱之為測量端。熱電偶作為常見的測量溫度的傳感器,在各個領(lǐng)域都有非常廣泛的應(yīng)用。
熱電偶的工作原理
熱電偶的工作原理取決于以下三種效應(yīng):
塞貝克效應(yīng) – 塞貝克效應(yīng)發(fā)生在兩種不同的金屬之間,當熱量提供給任何一種金屬時,電子就開始從熱金屬流向冷金屬,因此電路中產(chǎn)生了直流電。塞貝克效應(yīng)又叫做熱電效應(yīng)。
簡而言之,它是兩種不同金屬之間的溫差引起它們之間電位差的現(xiàn)象。塞貝克效應(yīng)對應(yīng)每開爾文的溫度會產(chǎn)生微小的電壓。
珀爾帖效應(yīng) – 珀爾帖效應(yīng)與塞貝克效應(yīng)相反。珀爾帖效應(yīng)表明,通過施加任意兩個不同導(dǎo)體之間的電位差,可以產(chǎn)生溫度差。
湯普森效應(yīng) – 湯普森效應(yīng)是指當兩種不同的金屬連接在一起時,如果它們形成兩個結(jié),那么由于溫度梯度,電壓會感應(yīng)到導(dǎo)體的整個長度。溫度梯度是一個物理術(shù)語,它表示某一特定位置溫度變化的方向和速率。
熱電偶的構(gòu)造
熱電偶由兩種不同的金屬材料組成,這兩種金屬的連接點被焊接在一起,這個連接點被認為是測量點。連接點的連接方式分為三種類型:
1.不接地接點 – 在不接地接點中,導(dǎo)體與保護套完全隔離。適用于高壓應(yīng)用場景。使用這種結(jié)的主要優(yōu)點是它減少了雜散磁場的影響。
2.接地接點 – 在這種類型的接點中,金屬和保護套被焊接在一起。接地接點用于測量腐蝕性環(huán)境中的溫度。這個結(jié)提供了對噪聲的抵抗力。
3.裸露結(jié) – 這種類型的結(jié)在需要快速響應(yīng)的地方使用。暴露的結(jié)部用于測量氣體的溫度。
熱電偶的電路如下圖所示:該電路由兩種不同的金屬組成,這兩種金屬以此方式連接在一起形成兩個結(jié)。
設(shè) P 和 Q 是熱電偶的兩個結(jié)點。T1 和 T2 是交界處的溫度。由于結(jié)的溫度彼此不同,因此在電路中產(chǎn)生電動勢EMF。
如果結(jié)的溫度相等,則在電路中產(chǎn)生相等和相反的電動勢,并且零電流流過它。如果結(jié)的溫度變得不相等,電路中就會產(chǎn)生電位差。電路中感應(yīng)到的電動勢的大小取決于用于制造熱電偶的材料的類型。通過測量裝置測量流經(jīng)電路的總電流。
熱電偶電路中感應(yīng)到的電動勢由方程給出
E=a(?θ)+b(?θ)2
?θ為熱電偶測量端和參考端之間的溫差
a, b 為常量
熱電偶的輸出測量
從熱電偶獲得的輸出電動勢可以通過以下方法測量:
萬用表 – 這是一種測量熱電偶輸出電動勢的更簡單方法。萬用表連接到熱電偶的冷結(jié),萬用表指針的撓度等于流經(jīng)儀表的電流。
電位計 – 熱電偶的輸出也可以借助直流電位器進行測量。
帶輸出設(shè)備的放大器 – 從熱電偶獲得的輸出通過放大器放大,然后饋送到記錄或指示儀器。
熱電偶作為溫度測量設(shè)備具有以下的優(yōu)點
? 熱電偶比其他溫度測量設(shè)備便宜。
? 熱電偶具有快速響應(yīng)時間。
? 它具有很寬的溫度范圍。
熱電偶的缺點
- 熱電偶精度較低。
- 熱電偶的重新校準很困難。
- 鎳合金、鉑/銠合金、鎢/錸合金、鉻金、鐵合金是用于制造熱電偶的合金的名稱。
熱點偶常見的問題 Q&A
01
如何選擇熱電偶類型?
由于熱電偶測量的溫度范圍很寬,并且相對堅固,因此熱電偶在工業(yè)中經(jīng)常使用。選擇熱電偶時需要考慮:
-溫度范圍
-熱電偶或護套材料的耐化學(xué)性
-耐磨、耐振動
-安裝要求(可能需要與現(xiàn)有設(shè)備兼容;現(xiàn)有孔可決定探頭直徑)
02
熱電偶的響應(yīng)時間是多少?
時間常數(shù)(time constant)定義為在一組特定條件下,傳感器達到溫度階躍變化的63.2%所需的時間。傳感器需要五個時間常數(shù)才能接近100%的階躍變化值。外露結(jié)熱電偶響應(yīng)最快。此外,探頭護套直徑越小,響應(yīng)速度越快,但其能耐受的最高溫度可能較低。要注意,有時探頭護套不能承受熱電偶類型的整個溫度范圍。
03
各種熱電偶的精度
和溫度范圍是什么?
精度和范圍取決于熱電偶合金,被測量的溫度,傳感器的結(jié)構(gòu),護套的材料,被測量的介質(zhì),介質(zhì)的狀態(tài)(液體,固體或氣體)以及熱電偶線的直徑(如果它是暴露的)或護套直徑(如果熱電偶線沒有暴露,裝有護套)。
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