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热电偶测量温度原理


1、2 两点的温度不同时,回路中就会产生热电势,因而 ?就有电流产生,电流表就会 ? 发生偏转,这一现象称为热 ?电效应(塞贝克效应) ,产 生的电势、电流分别叫热电 ?势、 热电流。

热电偶温度计属于接触式温度测量仪表。 是根据热电效应即塞贝克效应原理来测量温度 的,是温度测量仪表中常用的测温元件。将不同材料的导体 A、B 接成闭合回路,接触测温 点的一端称测量端,一端称参比端。若测量端和参比端所处温度 t 和 t0 不同,则在回路的 A、 B 之间就产生一热电势 EAB(t,t0 ),这种现象称为塞贝克效应,即热电效应。EAB 大小随导 体 A、B 的材料和两端温度 t 和 t0 而变,这种回路称为原型热电偶。在实际应用中,将 A、 B 的一端焊接在一起作为热电偶的测量端放到被测温度 t 处,而将参比端分开,用导线接入 显示仪表,并保持参比端接点温度 t0 稳定。显示仪表所测电势只随被测温度而 t 变化。

第一节热电偶的测温原理 在 1821 年德国医生塞贝克在实验中发现热电效应以来,经珀尔帖、汤姆逊以及开尔文 等科学家的大量研究,热电效应理论得到了不断的发展,并日趋完善。热电偶是热电效应的 具体应用之一,它在温度测量中得到了广泛的应用,热电偶具有结构简单、容易制造、使用 方便和测量精度高等优点。可用于快速测温、点温测量和表面测量等,但是热电偶也存在着 不足的地方,如使用的参考端温度必须恒定,否则将歪曲测量结果;在高温或长期使用中, 因受被测介质或气氛的作用(如氧化、还原等)而发生劣化,降低使用寿命。尽管如此,热 电偶仍在工业生产和科研活动中起着举足轻重的作用。 下面我们从三个热电效应的阐述中来 讨论热电偶的测温原理。 一、塞贝克效应和塞贝克电势 热电偶为什么能用来测量温度呢?这就是从热能和电能的相互转化的热电现象说起。 在 1821 年,塞贝克通过实验发现一对异质金属 A、B 组成的闭合回路(如图 1-1)中,如果对

接点 a 加热,那么,a,b 两接点的温度就会不同,温度不同,就会有电流产生,使得接在电 路中的电流表发生偏转。 这一现象现今称为温差电效应或塞贝克效应, 相应的电势称为温差 热电势或塞贝克电势,它在热电偶回路中产生的电流称为热电流。A、B称为热电极,接点 a 是用焊接的方法连接一起的,测温时,将它置于被测温度场中,称为测量端或者工作端, 接点 b 一般要求恒定在某一温度称为参考端或自由端。 3. 热电偶冷端的温度补偿由于 热电偶的材料一般都比较贵重 (特别是采用贵 金属时) , 而测温点到仪表的距离都很远,为了节省热 电偶材料,降低成本,通常采用补偿导线把热 电偶的冷 端(自由端)延伸到温度比较稳定的控制室内,连接到 仪表端子上。必须指出, 热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极, 使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上, 它本 身并不能消除冷端温度变化对测温的影响,不起补偿作用。因此,还需采用其他修正方法来 补偿冷端温度 t0≠0℃时对测温的影响。在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配,极性 不能接错,补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过 100℃。 在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配, 极性不能接错, 补偿导线与热电偶连接端 的温度不能超过 100℃。 冷端温度补偿器的型号应与热电偶的型号相符,并在规定温度范围内 使用; 冷端温度补偿器与热电偶连接时极性不能接错; 根据补偿器的平衡点温度调整仪表 起始点,使指针批示在平衡点温度; 具有自动补偿机构的显示仪表不安装补偿器;补偿器必须 定期检查和检定。

冷端补偿: 概述

温度测量应用中有多种类型的变送器,热电偶是最常用的一种,可广泛用于汽车、家 庭等领域。与 RTD、电热调节器、温度检测集成电路(IC)相比,热电偶能够检测更宽的温度 范围,具有较高的性价比。另外,热电偶的牢固、可靠性和快速响应时间使其成为各种工作 环境下的首要选择。

当然,热电偶在温度测量中也存在一些缺陷,例如,线性特性较差。虽然它们与 RTD、 温度传感器 IC 相比可以测量更宽的温度范围,但线性度却大打折扣。除此之外,RTD 和温 度传感器 IC 可以提供更高的灵敏度和精度,可理想用于精确测量系统。热电偶信号电平很 低,常常需要放大或高分辨率数据转换器进行处理。

如果排除上述问题,热电偶的低价位、易使用、宽温度范围使其得到广泛使用。

热电偶基础

热电偶是差分温度测量器件,由两段不同的金属/合金线构成,一段用作正端,另一段 用作负端。表 1 列出了四种最常用的热电偶类型、所用金属以及对应的温度测量范围。每种 热电偶在其规定的温度范围内具有独特的热电特性。

两种不同类型的金属接(焊接)在一起后形成两个结点, 如图 1a 所示, 环路电压是两个 结点温差的函数。这种现象称为 Seebeck 效应,用于解释热能转换为电能的过程。Seebeck 效应相对于 Peltier 效应,Peltier 效应用于解释电能转换成热能的过程,典型应用有电热致 冷器。图 1a 所示,测量电压 VOUT 是检测端(热端)结电压与参考端(冷端)结电压之差。因 为 VH 和 VC 是由两个结的温度差产生的,VOUT 也是温差的函数。定标因数,α,对应于电 压差与温差之比,称为 Seebeck 系数。

图 1b 所示是一种最常见的热电偶应用。 该配置中引入了第三种金属(中间金属)和两个 额外的节点。本例中,每个开路端与铜线电气连接,这些连线为系统增加了两个额外节点, 只要这两个节点温度相同,中间金属(铜)不会影响输出电压。这种配置允许热电偶在没有独 立参考结点的条件下使用。 VOUT 仍然是热端与冷端温度之差的函数, Seebeck 系数有关。 与 然而,由于热电偶测量的是温度差,为了确定热端的实际温度,冷端温度必须是已知的。

冷端温度为 0°C (冰点)时是一种最简单的情况,如果 TC = 0°C,则 VOUT = VH。这

种情况下,热端测量电压是结点温度的直接转换值。美国国家标准局(NBS)提供了各种类型 热电偶的电压特征数据与温度对应关系的查找表。所有数据均基于 0°C 冷端温度。利用冰 点作为参考点,通过查找适当表格中的 VH 可以确定热端温度。 在热电偶应用初期,冰点被当作热电偶的标准参考点,但在大多数应用中获得一个冰 点参考温度不太现实。如果冷端温度不是 0°C,那么,为了确定实际热端温度必须已知冷端 温度。考虑到非零冷端温度的电压,必需对热电偶输出电压进行补偿,既所谓的冷端补偿。

选择冷端温度测量器件

如上所述,为了实现冷端补偿,必须确定冷端温度,这可以通过任何类型的温度检测 器件实现。在通用的温度传感器 IC、电热调节器和 RTD 中,不同类型的器件具有不同的优、 缺点,需根据具体应用进行选择。

对于精度要求非常高的器件,经过校准的铂 RTD 能够在很宽的温度范围内保持较高 精度,但其成本很高。

精度要求不是很高时,热敏电阻和硅温度传感器 IC 能够提供较高的性价比,热敏电 阻比硅 IC 具有更宽的测温范围,而传感器 IC 具有更高的线性度,因而性能指标更好一些。 修正热敏电阻的非线性会占用较多的微控制器资源。温度传感器 IC 具有出色的线性度,但 测温范围很窄。

总之,必需根据系统的实际需求选择冷端温度测量器件,需要仔细考虑精度、温度范 围、成本和线性指标,以便得到最佳的性价比。

考虑因素

一旦建立了冷端补偿方法,补偿输出电压必须转换成相应的温度。一种简单的方法既 是使用 NBS 提供的查找表,用软件实现查找表需要存储器,但查找表对于连续的重复查询 提供了一种快速、 精确的测量方案。 将热电偶电压转换成温度值的另外两种方案比查找表复 杂一些,这两种方法是:1) 利用多项式系数进行线性逼近,2) 对热电偶输出信号进行模拟 线性化处理。

软件线性逼近只是需要预先确定多项式系数, 不需要存储, 因而是一种更通用的方案。 缺点是需要较长时间解多阶多项式,多项式阶数越高,处理时间越长,特别是在温度范围较 宽的情况下。多项式阶数较高时,查找表相对提供了一种精度更高、更有效温度测量方案。

出现软件测试方案之前, 模拟线性化常被用来将测量电压转换成温度值(除了人工查找 表检索外)。这种基于硬件的方法利用模拟电路修正热电偶响应的非线性。其精度取决于修 正逼近多项式的阶数,在目前能够测试热电偶信号的万用表中仍采用这种方法。

应用电路

下面讨论了三种利用硅传感器 IC 进行冷端补偿的典型应用,三个电路均用来解决温 度范围较窄(0°C 至+70°C 和-40°C 至+85°C)的冷端温度补偿,精度在几个摄氏度以内。第 二个电路包含一个远端二极管温度检测器, 由连接成二极管的晶体管为其提供测试信号。 第 三个电路中的模/数转换器(ADC)内置冷端补偿。所有三个电路均采用 K 型热电偶(由镍铬合 金和镍基热电偶合金组成)进行温度测量。

示例#1 示例

图 2 所示电路中,16 位 Σ-? ADC 将低电平热电偶电压转换成 16 位串行数据输出。集 成可编程增益放大器有助于改善 ADC 的分辨率,这对于处理热电偶小信号输出非常必要。 温度检测 IC 靠近热电偶安装, 用于测量冷端附近的温度。这种方法假设 IC 温度近似等于冷 端温度。冷端温度传感器输出由 ADC 的通道 2 进行数字转换。温度传感器内部的 2.56V 基 准节省了一个外部电压基准 IC。

工作在双极性模式时, ADC 可以转换热电偶的正信号和负信号, 并在通道 1 输出。 ADC 的通道 2 将 MAX6610 的单端输出电压转换成数字信号,提供给微控制器。温度检测 IC 的 输出电压与冷端温度成正比。

为了确定热端温度,需首先确定冷端温度。然后通过 NBS 提供的 K 型热电偶查找表 将冷端温度转换成对应的热电电压。将此电压与经过 PGA 增益校准的热电偶读数相加,最 后再通过查找表将求和结果转换成温度, 所得结果即为热端温度。 2 列出了温度测量结果, 表 冷端温度变化范围:-40°C 至+85°C,热端保持在+100°C。实际测量结果在很大程度上取 决于本地温度检测 IC 的精度和烤箱温度。

示例#2 示例

图 3 所示电路中,远端温度检测 IC 测量电路的冷端温度,与本地温度检测 IC 不同的 是 IC 不需要靠近冷端安装,而是通过外部连接成二极管的晶体管测量冷端温度。晶体管直 接安装在热电偶接头处。温度检测 IC 将晶体管的测量温度转换成数字输出。 ADC 的通道 1 将热电偶电压转换成数字输出,通道 2 没有使用,输入直接接地。外部 2.5V 基准 IC 为 ADC 提供基准电压。

表 3 列出了温度测量结果,冷端温度变化范围: -40°C 至+85°C,热端保持在+100°C。 实际测量结果在很大程度上取决于远端二极管温度检测 IC 的精度和烤箱温度。

示例#3 示例

图 4 电路中的 12 位 ADC 带有温度检测二极管,温度检测二极管将环境温度转换成电 压量,IC 通过处理热电偶电压和二极管的检测电压,计算出补偿后的热端温度。数字输出 是对热电偶测试温度进行补偿后的结果,在 0°C 至+700°C 温度范围内,器件温度误差保持 在±9 LSB 以内。虽然该器件的测温范围较宽,但它不能测量 0°C 以下的温度。

表 4 是 4 所示电路的测量结果,冷端温度变化范围:0°C 至+70°C,热端温度保持在 +100°C。

结论 由于热电偶是差分温度测量器件,在处理热电偶信号时必须建立一个参考点。热电偶 所提供的电压体现了热端与冷端的温度差。 如果已知冷端温度和相对于冷端的热端温度, 即

可确定出热端的实际温度值。 冷端补偿器件的选择标准与精度、成本、线性度、温度范围等因素有关,铂 RTD 精 度最高,但成本也最高。电热调节器价格低、可工作在较宽的温度范围,但其线性度较差。 硅温度传感器检测 IC 工作温度范围较窄,但具有合理的精度和线性度,成本也比较低,能 够满足多数热电偶应用的需求。 一般是采用接补偿导线的办法。现在生产的测量仪表,大多都带有自动补偿的电路,可 以纠正补偿导线冷端不是零度而产生的误差。所以大多数仪表按规定接补偿导线即可。 毫伏计里没有相关的补偿电路,象这类仪表,不但要接补偿导线,还要用调整零点等方 法补偿。不补偿会出现测量错误。例如用毫伏计测量温度,热电偶冷端为 50 度,接补偿导 线,补偿导线冷端为室温 20 度,如果不采取调整零点的方法,测量显示温度为实际温度减 去 20 度。


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