- 如何測(cè)量熱電偶
- 使用J型熱電偶對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量
- 采用硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償?shù)姆椒ㄗx取溫度
每當(dāng)兩個(gè)不同的金屬接觸,接觸點(diǎn)聚會(huì)產(chǎn)生一個(gè)以溫度為函數(shù)的較低的空載電壓,這就是熱電效應(yīng)。這個(gè)溫差電壓就是Seebeck電壓,以1821年發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象的物理學(xué)家ThomasSeebeck命名。該電壓相對(duì)于溫度是非線性的,但是對(duì)于小范圍內(nèi)的變化溫度可以近似的認(rèn)為是線性的,或者:
(1)
式中,?V是電壓變化,S是Seebeck系數(shù),而?T是溫度變化。
熱電偶的類型有很多種,并且都根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)(ANSI)公約規(guī)定,由大些字母注明其成分。例如,J型熱電偶由一個(gè)鐵制導(dǎo)體和一個(gè)銅鎳合金導(dǎo)體構(gòu)成。熱電偶的其他類型包括B,E,K,N,R,S,和T。
如何測(cè)量熱電偶
為了更好地理解如何進(jìn)行熱電偶測(cè)量,必須先了解熱電偶工作原理。本文檔的第一部分將解釋熱電偶的基本原理,以后部分將陸續(xù)講解如何實(shí)現(xiàn)熱電偶同儀器之間的連接以及如何進(jìn)行溫度測(cè)量。
熱電偶Seebeck電壓如果直接連到測(cè)量系統(tǒng)上連接到測(cè)量系統(tǒng)上會(huì)產(chǎn)生附加溫差電路,因此不能通過簡(jiǎn)單地同電壓表或者其他測(cè)量系統(tǒng)連接而進(jìn)行測(cè)量。
圖1.J型熱電偶
如圖1所示,電路中使用J型熱電偶對(duì)燭火溫度進(jìn)行測(cè)量。兩個(gè)熱電偶線路同數(shù)據(jù)采集設(shè)備的銅質(zhì)接線端子連接。注意該電路中有三個(gè)金屬連接口——J1,J2和J3。J1是熱電偶測(cè)量點(diǎn),產(chǎn)生一個(gè)同燭火溫度成比例的Seebeck電壓。除此之外J2和J3每個(gè)都有各自的Seebeck系數(shù),并在數(shù)據(jù)采集終端都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)同溫度成比例的溫差電壓,稱為冷端電壓。為了確定J1的電壓分量,就需要知道J2和J3接點(diǎn)的溫度,并且知道接點(diǎn)電壓和溫度之間的關(guān)系。這樣,就可以通過從測(cè)量電壓中減去J2和J3寄生結(jié)電壓分量而得到J1接點(diǎn)的電壓。
熱電偶需要一個(gè)特定的溫度基準(zhǔn)來補(bǔ)償該冷端產(chǎn)生的誤差。最常用規(guī)定方法就是使用可直接讀取的溫度傳感器測(cè)量得到參考端溫度,減去寄生端電壓分量。這個(gè)處理方法被稱為冷端補(bǔ)償,可以利用某些熱電偶的特性來簡(jiǎn)化計(jì)算冷端補(bǔ)償。
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通過使用金屬過渡層的熱電偶定律以及其他假設(shè)條件,我們可知電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)量只取決于熱電偶類型,測(cè)量端電壓和冷端溫度。測(cè)量電壓同測(cè)量導(dǎo)線和冷端J2、J3的電壓分量無關(guān)。
圖2.金屬過渡層熱電偶定律
考慮圖3中電路。該電路同前文圖1中所描述的電路相似,但是在J3接點(diǎn)前插入了一小段銅鎳合金導(dǎo)線。所有接點(diǎn)處于同樣的溫度條件下。假定J3和J4接點(diǎn)溫度相同,金屬過渡層熱電偶定律說明圖3中的電路同圖1中的電路在電氣理論上是相同的。所以,圖3電路所測(cè)得的任何結(jié)果都適用于圖1所示電路。
圖3.在等溫環(huán)境中插入一個(gè)附加導(dǎo)線
圖3中,J2和J4接點(diǎn)屬于同一類型(銅鎳合金);因?yàn)閮烧咛幱诘葴丨h(huán)境,J2和J4也是同樣的溫度。因?yàn)殡娐分须娏鞣较蚓壒?,J4端產(chǎn)生一個(gè)Seebeck正電壓,J2端產(chǎn)生一個(gè)Seebeck負(fù)電壓。因此,接點(diǎn)抵消了相互之間的影響,測(cè)量電壓的總量就為零。J1和J3接點(diǎn)都是鐵—銅鎳合金接點(diǎn)。但是他們的溫度可能不同,因?yàn)樗麄兛赡懿皇窃诘葴丨h(huán)境中。因?yàn)樗麄兲幱诓煌瑴囟拳h(huán)境下,J1和J3接點(diǎn)都可以產(chǎn)生Seebeck電壓,但是大小不同。為了補(bǔ)償冷端J3,測(cè)量其溫度并將其作用電壓從熱電偶測(cè)量中減去。
使用VJx(Ty)符號(hào)表示Jx接點(diǎn)在Ty溫度時(shí)所產(chǎn)生的電壓,一般熱電偶問題簡(jiǎn)化成下式:
VMEAS=VJ1(TTC)+VJ3(Tref)(2)
式中,VMEAS表示數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量得到的電壓值,TTC表示J1接點(diǎn)熱電偶的溫度,Tref表示基準(zhǔn)端的溫度。
注意到在(2)式中,VJx(Ty)表示的是就某個(gè)基準(zhǔn)溫度而言在Ty溫度環(huán)境下所產(chǎn)生的電壓。只要VJ1和VJ3是與同一個(gè)基準(zhǔn)溫度相關(guān)的溫度函數(shù),2式就成立。例如,如前文所述的NIST熱電偶參照表就是將基準(zhǔn)端保持在0攝氏度情況下生成的。
因?yàn)镴3和J1是同類型的,但是產(chǎn)生相對(duì)電壓,所以VJ3(Tref)=-VJ1(Tref)。又因?yàn)閂J1是熱電偶類型測(cè)試狀態(tài)下產(chǎn)生的電壓,所以該電壓可以重命名為VTC。因此,2式可以改寫成下式:
VMEAS=VTC(TTC)-VTC(Tref)(3)
因此,通過測(cè)量VMEAS和Tref知道了熱電偶電壓同溫度的關(guān)系,就能夠確定熱電偶測(cè)量端的溫度。
現(xiàn)有兩種實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)——硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償。兩種技術(shù)都需要使用可直接讀取傳感器得到基準(zhǔn)端溫度??芍苯幼x取傳感器有一個(gè)只由測(cè)量點(diǎn)溫度決定的輸入端。半導(dǎo)體傳感器,電熱調(diào)節(jié)器和RTD都是常用的測(cè)量基準(zhǔn)端溫度的儀器。
使用硬件補(bǔ)償,可以將一個(gè)可變電壓源插入到電路中,撤銷寄生溫差電壓。可變電壓源根據(jù)環(huán)境溫度產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償電壓,這樣附加到修正電壓上用來撤銷不需要的溫差信號(hào)。當(dāng)這些寄生信號(hào)都被去除了,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量的唯一信號(hào)就是從熱電偶測(cè)量端測(cè)得的電壓。使用硬件補(bǔ)償?shù)那闆r下,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)終端的溫度是不相關(guān)的,因?yàn)槠渲械募纳詿犭娕茧妷阂呀?jīng)被取消了。硬件補(bǔ)償?shù)闹饕蛔阒幵谟?,每種熱電偶必須擁有一個(gè)分開的能夠附加修正補(bǔ)償電壓的補(bǔ)償電路,這樣就會(huì)大大增加電路的成本。通常情況下,硬件補(bǔ)償在精度上也不及軟件補(bǔ)償。
或者您可以選擇使用軟件來進(jìn)行冷端補(bǔ)償。在使用可直接讀取傳感器測(cè)量得到基準(zhǔn)端溫度后,軟件能夠在被測(cè)電壓上附加一個(gè)適合的電壓值來消除冷端電壓的影響?;貞洠?)式中指明被測(cè)電壓VMEAS等于(熱電偶)測(cè)量端接點(diǎn)和冷端接點(diǎn)之間的電壓差值。
熱電偶輸出電壓是高度非線性的。Seebeck系數(shù)會(huì)因?yàn)橐恍犭娕嫉倪\(yùn)行溫度區(qū)域中三個(gè)或以上的因素而有所變化。因此,您必須使用多項(xiàng)式來模擬熱電偶中電壓VS溫度曲線或者使用查表法。