浦光熱電偶的使用基于定律及冷端溫度補償方法
瀏覽：198 次 發(fā)布日期：2017-10-06
摘 要：熱電偶是可以將溫度量轉化為電動(dòng)勢大小的熱電勢傳感器，其構造簡(jiǎn)單，使用方便，且具有準確度、穩定性高，溫度 測量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。介紹了熱電偶具有的三個(gè)使用基于定律，論述了熱電偶測量時(shí)產(chǎn)生的冷端溫度誤差以及采用的冷端溫度補償方法。
人們的生產(chǎn)和生活往往與溫度息息相關(guān)，熱電偶就是一種 常見(jiàn)的接觸式溫度傳感器，盡管構造簡(jiǎn)單，但同樣有其使用要求 和規律。對熱電偶的使用基于定律和冷端溫度補償方法的研究
有助于我們更靈活更有效地在實(shí)際生活中使用熱電偶。
1 熱電偶的結構及原理
熱電偶作為一種簡(jiǎn)單的無(wú)源傳感器件，不需要在外界接通 電源即可測量出溫度量。其構造也比較簡(jiǎn)單，非常簡(jiǎn)單的熱電偶可 以由兩種不同的導體 A和 B，將其兩端結點(diǎn)連接在一起形成回路 即可，其中一端為測量端 T，另一端為參考端 T0，該閉合回路也被稱(chēng)之為熱電偶，導體 A 或 B 則被稱(chēng)為熱電極或熱偶絲，其兩個(gè)結點(diǎn)中，被測對象溫度的結點(diǎn)稱(chēng)為測量端，參考溫度的結點(diǎn)稱(chēng)為參考端。如圖 1 所示。
熱電偶的熱電動(dòng)勢是因為存在著(zhù)由于兩不同導體連接所產(chǎn)生的接觸電動(dòng)勢和導體自身受溫度影響的溫差電動(dòng)勢。接觸電 動(dòng)勢是因為兩個(gè)不同導體的材料不同，其內部的自由電子密度也不相同，當兩者接觸時(shí)電子存在擴散運動(dòng)，從而在該地方形成電 動(dòng)勢。溫差電動(dòng)勢是因為導體兩端溫度不同的情況下在高溫端失去電子而帶正電荷，低溫端得到電子而帶負電荷形成的一種熱電動(dòng)勢，也稱(chēng)湯姆遜電動(dòng)勢。 設熱電偶 AB 的兩個(gè)接觸電動(dòng)勢為 EAB（T）和 EAB（T0），兩個(gè)溫 差電動(dòng)勢為 E（A T，T0）和 E（B T，T0），因此由金屬導體 A，B 組成的熱電偶回路中總的電動(dòng)勢可表示為：
EAB（T，T0）=EAB（T）+E（B T，T0）- EAB（T0）- E（A T，T0）
在總熱電動(dòng)勢中，由于溫差電動(dòng)勢與接觸電動(dòng)勢相比要小 許多，溫差電動(dòng)勢的大小可以近似忽略，因此簡(jiǎn)化后的熱電偶電 動(dòng)勢為： EAB（T，T0）=EAB（T）- EAB（T0）
熱電偶需要注意如下問(wèn)題：（1） 必須要用兩種不同的材料制 作回路，否則其回路的電動(dòng)勢始終為零；（2）若熱電偶測量的兩節點(diǎn)的溫度是相等的，回路中電動(dòng)勢會(huì )為零；（3）熱電偶的熱電動(dòng)勢 只與兩測量節點(diǎn)的溫度有關(guān)，與導體中其它各處的溫度無(wú)關(guān)。
2 熱電偶的使用基于定律
2.1 中間溫度定律。熱電偶 AB 的熱電動(dòng)勢僅與熱電偶的材 料和兩個(gè)結點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與溫度沿熱電極的分布以及熱電極 的尺寸和形狀無(wú)關(guān)，這就是中間溫度定律。假設每個(gè)導體中間存 在著(zhù)一結點(diǎn) Tn，則中間溫度定律的數學(xué)模型可表示為： EAB（T，T0）=EAB（T，Tn）+EAB（Tn+T0） 因此，在實(shí)際運用過(guò)程中，通過(guò)中間溫度定律，只要自由端溫 度固定，即使自由端不是零攝氏度情況下，也能夠依據分度表利 用上式測量溫度。
2.2 中間導體定律。在熱電偶 AB 回路中，在斷開(kāi)某一位置接入第三個(gè)導體 C，只要接入的第三導體 C 兩端溫度相同，就不會(huì )影響回路中的總熱電動(dòng)勢，這就是中間導體定律。其具有兩種接 入方式，如圖 2 和圖 3 所示所示。
因此，當回路長(cháng)度不足時(shí)，我們往往需要從回路中引出導線(xiàn) 或儀表的時(shí)候，只要保證引出兩端的溫度始終相等，就不會(huì )影響熱電偶回路中的熱電動(dòng)勢。
2.3 標準電極定律。假設有熱電偶 AC 和熱電偶 BC，若熱電 偶回路中的兩個(gè)結點(diǎn)溫度為 T、T0，則用導體 AB 組成的熱電偶的 熱電動(dòng)勢等于該兩個(gè)熱電動(dòng)勢代數和。 設熱電偶 AC 的熱電動(dòng)勢 EAC（T，T0）- EAC（T）- EAC（T0），熱電偶BC 的熱電動(dòng)勢 EBC（T，T0）=EBC（T）- EBC（T0），則利用中間導體定律后可以表示為：
EAC（T，T0）- EBC（T，T0）=EAB（T）+EBA（T0）=EAB（T）- EAB（T0）- EAB（T， T0）
因此導體 C 為標準電極。在實(shí)際生活中，標準電極 C 通常采 用純鉑絲，若已有各種熱電極對鉑極的熱電動(dòng)勢值，就可以用標 準電極定律得到這些材料中任意兩種配成熱電偶后的熱電動(dòng)勢， 方便了熱電偶的選配。
3 熱電偶的冷端溫度補償
由以上的原理可以知道，熱電偶的熱電動(dòng)勢與測量端的溫度 和冷端的溫度都有關(guān)系。只需保持住冷端溫度為零，或者是一個(gè)恒定值的時(shí)候即可準確測量測量端上的溫度。但實(shí)際情況下冷端 溫度往往存在擾動(dòng)或是偏于基準值的現象。比如由于導體在測量 溫度時(shí)，線(xiàn)路中的電流運動(dòng)往往會(huì )存在熱散失現象。此外，因為能 量守恒定理，冷端的電流運動(dòng)會(huì )使冷端溫度上升，而熱端反而下 降。所以我們需要通過(guò)采用一些溫度補償方法來(lái)穩定冷端溫度，從而減少對測量溫度的干擾。
3.1 導線(xiàn)補償法。實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)和生活需要中，顯示儀表往往無(wú)法安裝在測量對象的旁邊，這時(shí)要用其它導線(xiàn)延伸熱電偶 使得熱電偶測量在較遠距離的場(chǎng)所。由于熱電偶一般較短，會(huì )使 得冷端離被測對象很近，導致冷端溫度較高，受到影響也大，因此 可以利用補償導線(xiàn)將熱電偶冷端延伸出來(lái)，該導線(xiàn)在一定溫度范 圍內能夠與熱電偶具有相同熱電性質(zhì)。
3.2 電橋補償法。選擇適當的電橋，且在電橋橋臂中設置一 個(gè)電阻與熱電偶冷端感受相同的溫度變化。開(kāi)始時(shí)冷端溫度不 變，電橋平衡，當環(huán)境溫度產(chǎn)生變化時(shí)，因為橋臂上其中一個(gè)電阻 與熱電偶冷端感受到相同變化，電橋平衡被打破產(chǎn)生不平衡電壓 ，通過(guò)這個(gè)不平衡電壓來(lái)補償因為冷端溫度變化時(shí)造成的熱電動(dòng)勢變化
3.3 冰浴法。把熱電偶冷端至于冰水混合物中，即可保證冷 端溫度等于零攝氏度。
3.4 計算法。大多數情況下冷端溫度不能保持在零攝氏度， 這時(shí)通過(guò)熱電偶的中間溫度定律的計算公式，再結合分度表查詢(xún) 就可以得出熱電偶測量端的實(shí)際溫度。
3.5 軟件處理法。在硬件處理熱電偶冷端不方便的情況下， 可以利用計算機對冷端溫度進(jìn)行修正，如當冷端溫度不為零但恒定時(shí)，在采樣后添加常數即可。如果測量經(jīng)常波動(dòng)，可以利用一些 運算程序對其進(jìn)行修正等來(lái)提高精確度。
4 結論
隨著(zhù)科技的進(jìn)步和發(fā)展，傳感器的精度問(wèn)題值得我們越來(lái)越 重視。熱電偶在生活中有著(zhù)廣泛的應用。利用中間溫度定律，在使 用熱電偶的時(shí)候冷端不一定為零攝氏度也能得到測量值；通過(guò)中 間導體定律，可以用第三種導體從熱電偶冷端引出進(jìn)行測量，從 而節省貴金屬的使用；由標準電極定律可得，利用好標準電極即 可求出任意兩種材料電動(dòng)勢。結合熱電偶冷端溫度補償的 5 種方 法，能極大的提高熱電偶的測量精度，使其在未來(lái)的使用和發(fā)展 中具有更積極的意義。