熱電偶的使用基于定律及冷端溫度補(bǔ)償方法

摘要:熱電偶是可以將溫度量轉(zhuǎn)化為電動(dòng)勢(shì)大小的熱電勢(shì)傳感器,其構(gòu)造簡(jiǎn)單,使用方便,且具有精度好、穩(wěn)定性高,溫度測(cè)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(cè)量時(shí)產(chǎn)生的冷端溫度誤差以及采用的冷端溫度補(bǔ)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的接觸式溫度傳感器,盡管構(gòu)造簡(jiǎn)單,但同樣有其使用要求和規(guī)律。對(duì)熱電偶的使用基于定律和冷端溫度補(bǔ)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(jié)構(gòu)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(cè)量出溫度量。其構(gòu)造也比較簡(jiǎn)單,最簡(jiǎn)單的熱電偶可以由兩種不同的導(dǎo)體A和B,將其兩端結(jié)點(diǎn)連接在一起形成回路即可,其中一端為測(cè)量端T,另一端為參考端T,該閉合回路也被稱之為熱電偶,導(dǎo)體A或B則被稱為熱電極或熱偶絲,其兩個(gè)結(jié)點(diǎn)中,被測(cè)對(duì)象溫度的結(jié)點(diǎn)稱為測(cè)量端,參考溫度的結(jié)點(diǎn)稱為參考端。如圖1所示。
 
　　熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)是因?yàn)榇嬖谥捎趦刹煌瑢?dǎo)體連接所產(chǎn)生的接觸電動(dòng)勢(shì)和導(dǎo)體自身受溫度影響的溫差電動(dòng)勢(shì)。接觸電動(dòng)勢(shì)是因?yàn)閮蓚€(gè)不同導(dǎo)體的材料不同,其內(nèi)部的自由電子密度也不相同,當(dāng)兩者接觸時(shí)電子存在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),從而在該地方形成電動(dòng)勢(shì)。溫差電動(dòng)勢(shì)是因?yàn)閷?dǎo)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(fù)電荷形成的一種熱電動(dòng)勢(shì),也稱湯姆遜電動(dòng)勢(shì)。
　　設(shè)熱電偶AB的兩個(gè)接觸電動(dòng)勢(shì)為E_AB(T)和E_AB(T0),兩個(gè)溫差電動(dòng)勢(shì)為E_A(T,T0)和E_B(T,T0),因此由金屬導(dǎo)體A,B組成的熱電偶回路中總的電動(dòng)勢(shì)可表示為:
E_AB(T,T0)=E_AB(T)+E_B(T,T0)-E_AB(T0)-E_A(T,T0)
　　在總熱電動(dòng)勢(shì)中，由于溫差電動(dòng)勢(shì)與接觸電動(dòng)勢(shì)相比要小.許多,溫差電動(dòng)勢(shì)的大小可以近似忽略,因此簡(jiǎn)化后的熱電偶電動(dòng)勢(shì)為:
E_AB(T,T0)=E_AB(T)-E_AB(T0)
　　熱電偶需要注意如下問題:(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(shì)始終為零;(2)若熱電偶測(cè)量的兩節(jié)點(diǎn)的溫度是相等的,回路中電動(dòng)勢(shì)會(huì)為零;(3)熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)只與兩測(cè)量節(jié)點(diǎn)的溫度有關(guān),與導(dǎo)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(shì)僅與熱電偶的材料和兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫度有關(guān),而與溫度沿?zé)犭姌O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(shè)每個(gè)導(dǎo)體中間存在著一結(jié)點(diǎn)T.,則中間溫度定律的數(shù)學(xué)模型可表示為:
E_AB(T,T0)=E_AB(T,Tn)+E_AB(Tn+T0)
　　因此,在實(shí)際運(yùn)用過程中,通過中間溫度定律,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(jù)分度表利用上式測(cè)量溫度。
2.2中間導(dǎo)體定律。在熱電偶AB回路中，在斷開某一位置接入第三個(gè)導(dǎo)體C,只要接入的第三導(dǎo)體C兩端溫度相同,就不會(huì)影響回路中的總熱電動(dòng)勢(shì)，這就是中間導(dǎo)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(dāng)回路長(zhǎng)度不足時(shí),我們往往需要從回路中引出導(dǎo)線或儀表的時(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(shì)。
2.3標(biāo)準(zhǔn)電極定律。假設(shè)有熱電偶AC和熱電偶BC,若熱電偶回路中的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度為T.T0則用導(dǎo)體AB組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)等于該兩個(gè)熱電動(dòng)勢(shì)代數(shù)和。
　　設(shè)熱電偶AC的熱電動(dòng)勢(shì)E_AC(T,T0)-E_AC(T)-E_AC(T0),熱電偶.BC的熱電動(dòng)勢(shì)En(T,T0)=E_BC(T)-E_BC(T0),則利用中間導(dǎo)體定律后可以表示為:
E_AC(T,T0)-E_BC(T,T0)=E_AB(T)+E_BA(T0)=E_BA(T)-E_AB(T0)-E_BA(T,T0)
　　因此導(dǎo)體C為標(biāo)準(zhǔn)電極。在實(shí)際生活中,標(biāo)準(zhǔn)電極C通常采用純鉑絲,若已有各種熱電極對(duì)鉑極的熱電動(dòng)勢(shì)值,就可以用標(biāo)準(zhǔn)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(shì),方便了熱電偶的選配。
3熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償
　　由以上的原理可以知道，熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)與測(cè)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)候即可正確測(cè)量測(cè)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(zhǔn)值的現(xiàn)象。比如由于導(dǎo)體在測(cè)量溫度時(shí),線路中的電流運(yùn)動(dòng)往往會(huì)存在熱散失現(xiàn)象。此外,因?yàn)槟芰渴睾愣ɡ?冷端的電流運(yùn)動(dòng)會(huì)使冷端溫度上升,而熱端反而下降。所以我們需要通過采用一些溫度補(bǔ)償方法來(lái)穩(wěn)定冷端溫度，從而減少對(duì)測(cè)量溫度的干擾。
3.1導(dǎo)線補(bǔ)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(cè)量對(duì)象的旁邊,這時(shí)要用其它導(dǎo)線延伸熱電偶使得熱電偶測(cè)量在較遠(yuǎn)距離的場(chǎng)所。由于熱電偶一般較短,會(huì)使得冷端離被測(cè)對(duì)象很近,導(dǎo)致冷端溫度較高,受到影響也大,因此可以利用補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶冷端延伸出來(lái),該導(dǎo)線在一定溫度范國(guó)內(nèi)能夠與熱電偶具有相同熱電性質(zhì)。
3.2電橋補(bǔ)償法。選擇適當(dāng)?shù)碾姌?且在電橋橋臂中設(shè)置一個(gè)電阻與熱電偶冷端感受相同的溫度變化。開始時(shí)冷端溫度不變,電橋平衡,當(dāng)環(huán)境溫度產(chǎn)生變化時(shí),因?yàn)闃虮凵掀渲幸粋€(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,通過這個(gè)不平衡電壓來(lái)補(bǔ)償因?yàn)槔涠藴囟茸兓瘯r(shí)造成的熱電動(dòng)勢(shì)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(jì)算法。大多數(shù)情況下冷端溫度不能保持在零攝氏度,這時(shí)通過熱電偶的中間溫度定律的計(jì)算公式，再結(jié)合分度表查詢就可以得出熱電偶測(cè)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(jì)算機(jī)對(duì)冷端溫度進(jìn)行修正,如當(dāng)冷端溫度不為零但恒定時(shí),在采祥后添加常數(shù)即可。如果測(cè)量經(jīng)常波動(dòng),可以利用一些運(yùn)算程序?qū)ζ溥M(jìn)行修正等來(lái)提高精度。
4結(jié)論
　　隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展,傳感器的精度問題值得我們?cè)絹?lái)越重視。熱電偶在生活中有著廣泛的應(yīng)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(cè)量值;通過中間導(dǎo)體定律，可以用第三種導(dǎo)體從熱電偶冷端引出進(jìn)行測(cè)量,從而節(jié)省貴金屬的使用;由標(biāo)準(zhǔn)電極定律可得,利用好標(biāo)準(zhǔn)電極即可求出任意兩種材料電動(dòng)勢(shì)。結(jié)合熱電偶冷端溫度補(bǔ)償?shù)?種方法,能極大的提高熱電偶的測(cè)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。