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      淺談熱電偶冷(參考)接頭和不同的冷端補償方法

      來源:發表時間:2018-12-13


            在這篇博文中,我將簡要介紹一下熱電偶,尤其是冷(參考)接頭和不同的冷端補償方法。在使用過程儀器校準的多年中,我常常感到驚訝的是,即使是那些使用熱電偶工作很多的人并不總是意識到熱電偶,尤其是冷(參考)接頭是如何工作的,因此他們可能會出錯。測量和校準。為了能夠討論冷端,我們首先要簡要了解熱電偶理論以及熱電偶的工作原理。 

            我不會深入理論科學,但會更加注重實際考慮因素,當您在典型的過程工廠中使用熱電偶測量和校準時應該知道的事情。

      術語:冷端或參考連接點

            熱電偶“冷端”通常被稱為“參考接合點”,但在我看來人們更頻繁地使用“冷接點”,所以我將在本文中使用那個。

      熱電偶

            上海自動化儀表三廠熱電偶是過程工廠中非常常見的溫度傳感器。熱電偶幾乎沒有什么好處,可以廣泛使用。它們可用于測量非常高的溫度,遠高于RTD(電阻溫度檢測器)。熱電偶也是一種非常堅固的傳感器,因此不易損壞。雖然熱電偶不如RTD傳感器精確,但它們在許多應用中都足夠準確。熱電偶也是相對便宜的傳感器,并且熱電偶測量電路不像RTD電路那樣需要激勵電流,因此電路就是這樣,制造起來更簡單。有許多不同的熱電偶類型針對不同的應用進行了優化。

            上海自動化儀表三廠熱電偶傳感器看起來非常簡單 - 只需兩根電線 - 可能出現什么問題?但考慮到冷端和測量電路中的所有結點,它并不總是如此簡單。讓我們開始討論冷端討論,但在此之前,關于熱電偶理論的更多文字有助于更好地理解冷端討論。 

      熱電偶如何工作?

            讓我們來看看熱電偶的工作原理。熱電偶由兩根由不同電導體組成的導線組成,這兩根導線在一端(“熱”端)連接在一起,即您想要用來測量溫度的末端。

            正如托馬斯?約翰?塞貝克(Thomas Johann Seebeck)在1821年發現的那樣,當這些導線的連接點進入不同溫度時,會產生熱電流,導致開路端導線之間的電壓很小。電壓取決于溫度和所用導線的材料。這種效應被稱為塞貝克效應。

      熱電偶的簡化原理圖:

            在上圖中:“熱電偶材料1和2”代表熱電偶的兩種不同材料?!癟1”是熱電偶的熱端,即用于測量溫度的點。兩個“Tcj”是冷端的溫度。

            上面的解釋有些簡化,因為熱電壓實際上是由熱電偶線中的溫度梯度產生的,一直是在“熱”和“冷”結之間。因此,不是實際產生電壓的連接點,而是沿著電線的溫度梯度。通過認為熱電壓在結,冷熱結中產生,更容易理解這一點。也許更多科學的熱電偶理論可以在以后的其他文章中提供,但在這一篇中,讓我們堅持實際考慮。

      熱電偶類型和材料

            有許多類型的熱電偶由不同的材料和合金制成。不同的材料會導致不同的靈敏度,在相同溫度下產生不同的熱電壓量,并會影響其他特性,如最高溫度。

            幾種不同的熱電偶類型已經標準化,并且給出了所使用的特定材料的名稱。名稱通常是非常短的名稱,通常只有一個字母,例如類型K,R,S,J,K等。

      一些最常見的熱電偶及其材料列于下表:

      電線顏色

            好消息是熱電偶線是彩色編碼的,以便于識別。壞消息是顏色代碼有許多不同的標準,它們彼此不同。主要標準是IEC60584-3(國際)和ANSI(美國),但也有許多其他標準,如中國,日本,法國,英國,荷蘭,德國等標準。不幸的是,通過顏色識別類型有點復雜。 

      上海自動化儀表三廠熱電偶的熱電壓

            由于不同的熱電偶由不同的材料制成,因此熱電壓也不同,如下圖所示。在不同類型之間的相同溫度下產生的電壓存在很大差異。

            如果您想測量較低的溫度,使用更敏感的類型顯然會更好,因為它們提供更高的電壓,更容易測量。但是如果你需要去高溫,你需要選擇一些可以在如此高溫下使用的不太敏感的類型。

      塞貝克系數表示熱電偶的電壓與溫度變化相比變化了多少。稍后會詳細介紹。

            上圖說明了不同熱電偶之間的不同靈敏度,也解釋了為什么熱電偶校準器通常對不同的熱電偶類型有不同的精度規格。測量設備或校準器通常具有電壓指定的電壓測量精度。例如,它可以具有4微伏的精度。由于熱電偶靈敏度不同,這4微伏精度等于不同的溫度精度,具體取決于熱電偶類型。

      測量裝置(校準器)示例

            讓我們看看兩個極端:在200°C溫度下的E和B型。E型在200°C時的靈敏度(塞貝克系數)約為74μV/°C,而B型在200°C時的系數約為2μV/°C。因此,這兩者之間有37倍的差異。

            例如,如果您的測量設備可以測量4μV的電氣精度,這意味著它可以在200°C時為E型提供約0.05°C(4μV除以74μV/°C)的精度,并且精度高溫度為2°C(4μV除以2μV/°C),B型為200°C。

            因此,我們可以看到為什么熱電偶測量設備/校準器對于不同的熱電偶類型通常有非常不同的精度規格。

      校準器準確度

            如果您看到溫度校準器的數據表,并且所有熱電偶類型的精度規格相同,請小心!通常這意味著規格/數據表已在營銷部門而非技術部門完成, 這不太現實。

      標準

            還有一些標準(例如AMS2750E)要求所有熱電偶類型都具有相同的精度,這在實踐中沒有太大意義,因為不同類型的靈敏度存在巨大差異。

      塞貝克系數

            我之前已經提到了塞貝克系數。這是熱電偶的靈敏度,即它解釋了每個溫度變化產生多少電壓。

      下圖顯示了一些不同熱電偶的塞貝克系數:

      冷端

            現在,讓我們開始潛入“冷端”早些時候,我展示了簡化熱電偶原理的圖片,顯示熱電壓是在“熱”端連接中產生的,其中兩個不同的導體連接在一起。你應該在這里問的一個大問題是:但是電線的另一端呢?

      真是個好問題!我很高興你問... ;-)

            當您測量熱電偶的電壓時,您可以將熱電偶線連接到萬用表,對吧?并不是的!萬用表連接材料通常為銅或鍍金,因此它與熱電偶材料的材料不同,這意味著您在萬用表連接中創建了兩個新的熱電偶!

      讓我們用圖片來說明:

            在上圖中,材料1和材料2是形成熱電偶的兩種熱電偶材料?!盁岫恕笔撬鼈兒附釉谝黄鸬狞c,也就是測量過程溫度的點,這是產生電壓U1的地方。這個U1是我們想要衡量的。在“冷端”點,熱電偶連接到電壓表,該電壓表具有由不同材料,材料3制成的連接。在這些連接中,產生熱電壓U2和U3。我們不想測量這些U2和U3電壓,因此我們想要擺脫這些或補償它們。

            正如我們在上圖中所看到的,實際上是測量串聯連接的三(3)個熱電偶的電壓。您顯然只想測量“熱”結的電壓/溫度而不測量其他兩個結。

      所以,你可以做什么?

      您需要以某種方式消除或補償冷端中產生的熱電偶。有不同的方法可以做到這一點。讓我們看看下一個。

      冷端選項和補償方法 

      1.冰浴中的冷結

            就其性質而言,熱電偶結在溫度為0°C(32°F)時不會產生任何熱電壓。因此,您可以在該溫度下制作冷端,例如在冰浴或精確的溫度塊中。您可以將熱電偶線連接到冰浴中的銅線中,并且在該連接中不會產生熱電壓。那么你根本不需要擔心冷端。

            連接需要與冰浴中的水電隔離,以避免任何泄漏電流導致錯誤或產生可能的腐蝕。這是一種非常準確的方法,它是校準實驗室通常所做的事情。無論如何在加工廠地板上都不是很實用,因此它通常不用于加工廠。

      例:

      N型熱電偶如圖所示連接。電壓表顯示20808μV。測得的溫度是多少?

            E = E N(t U1) - E N(t r)

      哪里:

            E =測量電壓=20808μV

            E N(t U1)=熱結中產生的電壓

            E N(t r)=冷(基準)結中產生的電壓=0μV(IEC 60584 N型,0°C)

            E N(t U1)= E + E N(t r)=20808μV+0μV=20808μV= 605°C(IEC 60584 N型,20808μV)因此,溫度為605°C。

      2.冷端在已知的固定溫度下

            由于發現冰浴不切實際,您還可以在其他已知的固定溫度下進行冷端連接。您可以使用一個帶有溫度控制的小型連接盒,使盒子始終保持在一定溫度。通常,溫度高于環境溫度,因此箱子只需要加熱,而不需要冷卻。

            當您知道冷端的溫度,并且您也知道熱電偶的類型時,您可以計算并補償冷端熱電壓。

      許多測量設備或溫度校準器都具有可以輸入冷端溫度的功能,設備將為您完成所有計算并進行補償。

      例:

      N型熱電偶如圖所示連接。電壓表顯示19880μV。冷(參比)結的溫度為35°C。測得的溫度是多少?

            E = E N(t U1) - E N(t r)

      哪里:

            E =測量電壓=19880μV

            E N(t U1)=熱端產生的電壓

            E N(t r)=參考(或冷)結中產生的電壓=928μV(IEC 60584 N型,35°C)

            E N(t U1)= E + E N(t r)=19880μV+928μV=20808μV= 605°C(IEC 60584 N型,20808μV)

      因此,測得的溫度為605°C。

            請注意,熱電偶計算必須始終保持電壓。常見的錯誤是查找測量電壓的表值并添加冷端溫度。在這種情況下,根據IEC 60584標準測得的19880μV的相應溫度為581.2°C。使用溫度值計算將得到581.2°C + 35°C = 616.2°C。誤差為+ 11.2°C。

      3.測量冷端的溫度

            如果不像前面的例子那樣調整冷端溫度,無論如何都可以使用溫度探頭測量冷端的溫度。然后,您可以補償冷端效應,但由于您需要始終測量冷端溫度并且了解熱電偶類型,因此需要進行計算以了解冷端的影響,因此補償會更加困難。

            幸運的是,許多溫度校準器提供了使用溫度探頭測量冷端溫度的功能,并且設備自動進行所有補償和計算。

      4.測量設備中的自動在線補償

            我提到前面的例子很難,因為你需要一直計算補償,但你可以把它留給測量設備自動完成。測量設備(發射器,DCS輸入卡或溫度校準器)可以一直測量冷端的溫度,并自動執行冷端誤差的在線補償。由于測量設備也知道熱電偶類型(您在菜單中選擇),它可以自動連續地進行補償。

            這通常是在正常測量和校準中補償冷端的最簡單和最實用的方法,因為您不需要擔心冷端并留下設備來處理。您只需將熱電偶線插入設備即可。

      溫度校準器也支持這種自動補償。


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