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热电偶

第9章 - 电气仪器信号

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Seebeck效果

在仪器领域应用的一个有趣现象是Seebeck效果,这是由于沿该电线的温度差异而导致电线长度的小电压的产生。最容易观察到这种效果,并使用两种相互接触的金属的连接处施加,每种金属沿其长度产生不同的塞贝克电压,这转化为两条(非连接)线端之间的电压。当连接加热时,大多数任何一对不同金属都会产生可测量的电压,某些金属组合产生的每次温度的电压比其他温度更高:

Seebeck效果

Seebeck效果相当线性。也就是说,由两根电线的加热连接产生的电压与温度成正比。这意味着可以通过测量产生的电压来确定金属线连接的温度。因此,Seebeck效应为我们提供了一种电温度测量方法。

热电偶

当将一对不同的金属连接在一起以测量温度时,形成的设备称为a热电偶。为仪器制造的热电偶使用高纯度的金属以获得准确的温度/电压关系(尽可能线性和可预测)。

对于大多数温度范围,在数十毫米中,Seebeck电压很小。这使得它们难以准确测量。另外,事实任何当我们试图将热电偶连接到A时,不同金属之间的连接将产生与温度有关的电压电压表,完成电路:

热电偶

测量路口

由热电偶与仪表之间的连接形成的第二个铁/铜连接将产生与测量连接处产生的电压相对的温度依赖电压。这意味着电压表铜线之间的电压将是区别在两个连接之间的温度中,而不是仅在测量连接处的温度。即使对于铜不是不同金属之一的热电偶类型,两种连接的金属的组合结合了测量仪器的铜导线,形成了相当于测量连接的连接:

测量路口

参考路口

第二个路口称为参考或者寒冷的交界处,将其与测量端处的连接点区分开,并且无法避免在热电偶电路中使用一个。在某些应用中,需要在两个点之间进行差异测量,并且可以利用热电偶的固有特性来制造非常简单的测量系统。

参考路口

但是,在大多数应用中,目的是仅在单个点测量温度,在这些情况下,第二个交界处成为功能的责任。

参考连接产生的电压的补偿通常是由旨在测量温度并产生相应电压以应对参考连接效应的相应电压的特殊电路执行的。在这一点上,您可能会想知道:“如果我们必须诉诸其他形式的温度测量,只是为了克服与热电偶的特质,那么为什么还要打扰使用热电偶来测量温度呢?为什么不只是使用其他形式的温度测量,无论它可能是什么?”答案是这样的:因为用于参考连接补偿的其他形式的温度测量值不像热电偶交界处那样健壮或多功能,而是要在参考接口站点测量室温的工作。例如,热电偶测量连接可以插入铸造炉的1800度(f)烟道中,而参考接口在环境温度下在金属柜中坐一百英尺,其温度由可以通过的设备测量切勿在炉子的热量或腐蚀气氛中幸存下来。

热电偶连接产生的电压严格取决于温度。任何当前的在热电偶中,电路是电阻的函数,与该电压相反(i = e/r)。换句话说,温度和塞贝克电压之间的关系是固定的,而温度和电流之间的关系则是可变的,具体取决于电路的总电阻。有了足够重的热电偶导体,可以通过一对热电偶连接产生数百多个安培的电流!(实际上,我在实验室实验中看到了这一点,使用铜和铜/镍合金的厚条形成交界器和电路导体。)

出于测量目的,热电偶电路中使用的电压表具有很高的电阻,以免沿热电偶线沿沿热电偶沿线的任何引起错误的电压滴。在这里,沿导体长度的电压下降的问题比之前讨论的直流电压信号更为严重,因为在这里我们只有几毫伏的电压。我们根本无法在不产生严重温度测量误差的情况下沿导体长度沿导体长度进行单毫伏的滴度。

理想情况下,热电偶电路中的电流为零。早期的热电偶表示使用零余量的仪器电位测量测量值电路测量连接电压。Leeds和Northrup的早期“ Speedomax”系列温度指示器/记录器是该技术的一个很好的例子。更现代的仪器使用半导体放大器电路为了允许热电偶的电压信号驱动电路中几乎没有电流的指示装置。

热门

但是,热电偶可以用重规线建造,以使其具有低电阻,并以这种方式连接,以生成非常高的电流以进行温度测量以外的其他目的。这样的目的是发电。通过连接许多热电偶,将每个连接点交替使用热/冷温度,一种称为A的设备热门可以构造以产生大量的电压和电流:

热门

Peltier效应

在相同温度下的左侧和右侧连接处,每个连接处的电压将相等,并且相反的极性将取消零的最终电压。但是,如果加热左侧连接处并冷却右组,则每个左连接处的电压将大于每个右连接点,从而导致总输出电压等于所有连接对差的总和。在热门电脑中,这正是事物的设置方式。将热源(燃烧,强烈的放射性物质,太阳热等)应用于一组连接处,而另一组则将其粘合到某种散热器上(气或水冷)。有趣的是,当电流通过连接到热层连接的外部负载电路时,热能从热连接转移到冷连接处,证明了另一种热电现象:所谓的Peltier效应(电流传输热能)。

热电偶的另一个应用是测量平均几个位置之间的温度。最简单的方法是将几个热电偶彼此平行连接。每个热电偶产生的千万信号将在平行接线点平均输出。连接线之间的电压差异以及热电偶电线的电阻:

多个热电偶连接

但是,不幸的是,这些Seebeck电压电势的准确平均依赖于每个热电偶的电线电阻相等。如果热电偶位于不同的位置,并且它们的电线在单个位置并行连接,则不太可能的电线长度不可能。从测量点到平行连接点具有最大的电线长度的热电偶将具有最大的电阻,因此,对产生的平均电压的影响最小。

多个热电偶连接

为了帮助补偿这一点,可以将附加电阻添加到每个平行的热电偶电路分支中,以使其各自的电阻更加相等。没有定制的大小电阻for each branch (to make resistances precisely equal between all the thermocouples), it is acceptable to simply install resistors with equal values, significantly higher than the thermocouple wires’ resistances so that those wire resistances will have a much smaller impact on the total branch resistance. These resistors are called沼泽电阻是因为它们的相对较高的值超越了或“淹没”热电偶电线本身的电阻:Peltier效应

由于热电偶连接的产生如此低的电压,因此电线连接必须非常干净且紧密,以进行准确可靠的操作。同样,必须将参考接口的位置(与标准铜连接到标准铜的相似金属热电偶电线的位置)必须保持在测量仪器附近,以确保仪器可以准确补偿参考连接温度。尽管这些看似限制性的要求,但热电偶仍然是现代使用中最强大,最流行的工业温度测量方法之一。

审查:

  • Seebeck效果是在两个不同的,连接的金属之间产生的电压,该金属与该连接温度成正比。
  • 在任何热电偶电路中,在不同的金属之间都形成了两个等效连接。放置在预期测量位置的连接称为测量交界处,而另一个(单个或同等)的交界处称为参考交界处。
  • 可以相互相对的两个热电偶连接,以产生与两个连接之间的差分温度成比例的电压信号。为了发电而进行连接的连接的集合称为热门
  • 当电流流过热电器的连接处时,热能将从一组连接处转移到另一组连接处。这被称为Peltier效应
  • 可以平行连接多个热电偶连接,以产生代表连接之间平均温度的电压信号。“沼泽”电阻可能会与每个热电偶串联连接,以帮助保持连接处之间的平等性,因此所得的电压将更代表真正的平均温度。
  • 必须将热电偶电路中的电流保持尽可能低,以良好的测量精度。另外,所有相关的电线连接都应干净且紧密。在电路中的任何位置,仅毫米的跌落都会导致大量的测量误差。
1条评论
  • Kemokid 2020年10月9日

    “ Peltier效应”部分中的图与“多个热电偶连接”部分中的图交换。

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