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热电偶冷端补偿方法

 

  本文将简要介绍热电偶,特别是冷端和不同的冷端补偿方法。

  在处理过程仪表校准的多年工作中,您可能会常常感到惊讶,即使是经常使用热电偶的人可能也并不是那么了解热电偶是如何工作的。那么冷端(参考)究竟是如何工作的?为了能够讨论冷端,我们首先需要对热电偶理论和热电偶的工作原理做一个简短的了解。

冷端或参考端
  热电偶“冷端”通常被称为“参考端”,但在我们看来人们更经常使用“冷端”。

热电偶
  热电偶是化工厂中常见的温度传感器。热电偶的一些优点使其得到广泛应用。它们可用于测量非常高的温度,远高于电阻式温度传感器(RTD)。热电偶也是一个非常坚固的传感器,所以它不容易断裂。尽管热电偶不如电阻式温度传感器准确,但在许多应用中它们的准确度足够达到要求。

热电偶是如何工作的
  热电偶由两条由不同的电导体制成的导线组成,它们的一端连接在一起(“热”端),这是用来测量温度的一端。
正如1821年托马斯·约翰·塞贝克(Thomas Johann Seebeck)发现的那样,当这些电线的连接点被置于不同的温度下时,会产生热电流,从而在开口端的电线之间产生一个很小的电压。电压取决于温度和所用导电导线的材料。这种效应被称为塞贝克效应。

                                                   

 热电偶的简化原理图

  上图中“热电偶材料1和2”代表热电偶所用的两种不同材料。“T1”是热电偶的热端,即用于测量温度的点。两个“TCJ”是冷端的温度。因为热电偶丝中的温度梯度实际上产生了热电压,一直在“热”和“冷”端之间。所以,不是连接点产生了电压,而是沿着电线的温度梯度产生了电压。但热电压是在冷热端之间产生的这一解释更容易被理解。

热电偶类型和材料
  有许多类型的热电偶由不同的材料和合金制造。不同的材料会导致不同的灵敏度,在相同的温度下产生不同的热电压,并会影响其他特性。
几种不同的热电偶类型已经标准化,并为所使用的指定材料提供了名称。名称通常非常短,通常只有一个字母,如 K、R、S、J、K 等类型。

最常见的热电偶及其材料


热电偶的热电压
  由于不同的热电偶是由不同的材料制成的,因此热电电压也不同,如下图所示。在同一温度下,不同类型之间产生的电压相差很大。

热电偶的赛贝克系数
  如果您想测量较低的温度,显然最好使用更敏感的类型,因为它们提供更高的电压,更容易测量。但如果您需要去高温,可能要选择一些不太敏感的类型,可以在极端高温下使用。

  赛贝克系数表示热电偶的电压相对于温度的变化有多大。上图说明了不同热电偶之间的不同灵敏度,也解释了为什么热电偶校验仪对于不同类型的热电偶通常具有不同的精度规格。

冷端
  我们展示了简化的热电偶原理的图片,显示两个不同的导体连接在一起在"热端"连接中产生了热电压。这时候,您会问的大问题应该是——电线的另一端呢?

  当您测量热电偶的电压时,您可以把热电偶的导线连接到万用表上。万用表连接材料通常是镀铜或镀金的,因此它与热电偶材料不同,这意味着您在万用表连接中创建了两个新的热电偶!

  在上图中,材料1和材料2是形成热电偶的两个热电偶材料。“热端”是它们焊接在一起的点,这是测量过程温度的点,也是产生电压U1的点。这个U1是我们要测量的。在“冷端”点,热电偶与电压表相连,电压表的连接由不同的材料(材料3)制成。在这些连接中,产生了热电压U2和U3。正是这些U2和U3电压我们不想测量,所以我们想去掉它们或者补偿它们。

  如上图所示,实际上是在测量串联的三(3)个热电偶的电压。显然,您只想测量“热”端的电压/温度,而不想测量其他两个连接点。


冷端选择和补偿方法
1.冰点槽法
  根据其性质,热电偶接头在0°C(32°F)温度下不会产生任何热电压。所以,您可以在那个温度下连接冷端,例如在冰点槽中或者精确的温度校准炉中。在冰点槽中将热电偶导线连接到铜线上,而在连接过程中不会产生热电压。那么您就不必担心冷端了。

  连接需要与冰浴中的水进行电气隔离,以避免任何泄漏电流导致错误或可能产生腐蚀。这是一种非常精确的方法,校准实验室通常会这样做。不管怎么说,在化工厂,这是不太实际的,所以它通常不用于化工厂。


2.固定温度下的冷端
  由于冰槽被发现是不切实际的,您也可以在已知的、固定的温度做冷端连接。可以使用一个小的接线盒,它有一个温度控制装置,使接线盒始终保持一定的温度。通常情况下,温度高于环境温度,所以箱子只需要加热,而不需要冷却。

  当您知道冷端的温度,也知道热电偶的类型,就可以计算和补偿冷端的热电压。许多测量设备或温度校验仪都具有输入冷端温度的功能,设备将为您进行所有计算并进行补偿。

3. 测量冷端温度
  可以用温度传感器测量冷端的温度。然后,您可以补偿冷端效应,但是补偿有点困难,因为您需要一直测量冷端温度,并且知道您的热电偶类型,进行计算以了解冷端效应。

  幸运的是,许多温度校验仪提供了使用温度传感器测量冷端温度的功能,并且该设备自动进行所有补偿和计算。


 

4.测量装置中的自动在线补偿
  将其留给测量设备来自动计算。测量装置(变送器、DCS输入卡)可随时测量冷端温度,并自动在线补偿冷端误差。由于测量装置也知道热电偶的类型,所以可以自动连续地进行补偿。

  这必然是在正常测量和校准中补偿冷端的最简单和最实用的方法,因为您不需要担心冷端,而是让设备来处理。


冷端或参考端
  热电偶“冷端”通常被称为“参考端”,但在我们看来人们更经常使用“冷端”。

热电偶
  热电偶是化工厂中常见的温度传感器。热电偶的一些优点使其得到广泛应用。它们可用于测量非常高的温度,远高于电阻式温度传感器(RTD)。热电偶也是一个非常坚固的传感器,所以它不容易断裂。尽管热电偶不如电阻式温度传感器准确,但在许多应用中它们的准确度足够达到要求。

热电偶是如何工作的
  热电偶由两条由不同的电导体制成的导线组成,它们的一端连接在一起(“热”端),这是用来测量温度的一端。正如1821年托马斯·约翰·塞贝克(Thomas Johann Seebeck)发现的那样,当这些电线的连接点被置于不同的温度下时,会产生热电流,从而在开口端的电线之间产生一个很小的电压。电压取决于温度和所用导电导线的材料。这种效应被称为塞贝克效应。

                                                      

热电偶的简化原理图

  上图中“热电偶材料1和2”代表热电偶所用的两种不同材料。“T1”是热电偶的热端,即用于测量温度的点。两个“TCJ”是冷端的温度。因为热电偶丝中的温度梯度实际上产生了热电压,一直在“热”和“冷”端之间。所以,不是连接点产生了电压,而是沿着电线的温度梯度产生了电压。但热电压是在冷热端之间产生的这一解释更容易被理解。

热电偶类型和材料
  有许多类型的热电偶由不同的材料和合金制造。不同的材料会导致不同的灵敏度,在相同的温度下产生不同的热电压,并会影响其他特性。
几种不同的热电偶类型已经标准化,并为所使用的指定材料提供了名称。名称通常非常短,通常只有一个字母,如 K、R、S、J、K 等类型。

最常见的热电偶及其材料


热电偶的热电压
  由于不同的热电偶是由不同的材料制成的,因此热电电压也不同,如下图所示。在同一温度下,不同类型之间产生的电压相差很大。

热电偶的赛贝克系数
  如果您想测量较低的温度,显然最好使用更敏感的类型,因为它们提供更高的电压,更容易测量。但如果您需要去高温,可能要选择一些不太敏感的类型,可以在极端高温下使用。

  赛贝克系数表示热电偶的电压相对于温度的变化有多大。上图说明了不同热电偶之间的不同灵敏度,也解释了为什么热电偶校验仪对于不同类型的热电偶通常具有不同的精度规格。

冷端
  我们展示了简化的热电偶原理的图片,显示两个不同的导体连接在一起在"热端"连接中产生了热电压。这时候,您会问的大问题应该是——电线的另一端呢?

  当您测量热电偶的电压时,您可以把热电偶的导线连接到万用表上。万用表连接材料通常是镀铜或镀金的,因此它与热电偶材料不同,这意味着您在万用表连接中创建了两个新的热电偶!

  在上图中,材料1和材料2是形成热电偶的两个热电偶材料。“热端”是它们焊接在一起的点,这是测量过程温度的点,也是产生电压U1的点。这个U1是我们要测量的。在“冷端”点,热电偶与电压表相连,电压表的连接由不同的材料(材料3)制成。在这些连接中,产生了热电压U2和U3。正是这些U2和U3电压我们不想测量,所以我们想去掉它们或者补偿它们。

  如上图所示,实际上是在测量串联的三(3)个热电偶的电压。显然,您只想测量“热”端的电压/温度,而不想测量其他两个连接点。


冷端选择和补偿方法
1.冰点槽法
  根据其性质,热电偶接头在0°C(32°F)温度下不会产生任何热电压。所以,您可以在那个温度下连接冷端,例如在冰点槽中或者精确的温度校准炉中。在冰点槽中将热电偶导线连接到铜线上,而在连接过程中不会产生热电压。那么您就不必担心冷端了。

  连接需要与冰浴中的水进行电气隔离,以避免任何泄漏电流导致错误或可能产生腐蚀。这是一种非常精确的方法,校准实验室通常会这样做。不管怎么说,在化工厂,这是不太实际的,所以它通常不用于化工厂。


2.固定温度下的冷端
  由于冰槽被发现是不切实际的,您也可以在已知的、固定的温度做冷端连接。可以使用一个小的接线盒,它有一个温度控制装置,使接线盒始终保持一定的温度。通常情况下,温度高于环境温度,所以箱子只需要加热,而不需要冷却。

  当您知道冷端的温度,也知道热电偶的类型,就可以计算和补偿冷端的热电压。许多测量设备或温度校验仪都具有输入冷端温度的功能,设备将为您进行所有计算并进行补偿。

3. 测量冷端温度
  可以用温度传感器测量冷端的温度。然后,您可以补偿冷端效应,但是补偿有点困难,因为您需要一直测量冷端温度,并且知道您的热电偶类型,进行计算以了解冷端效应。

  幸运的是,许多温度校验仪提供了使用温度传感器测量冷端温度的功能,并且该设备自动进行所有补偿和计算。


 

4.测量装置中的自动在线补偿
  将其留给测量设备来自动计算。测量装置(变送器、DCS输入卡)可随时测量冷端温度,并自动在线补偿冷端误差。由于测量装置也知道热电偶的类型,所以可以自动连续地进行补偿。

  这必然是在正常测量和校准中补偿冷端的最简单和最实用的方法,因为您不需要担心冷端,而是让设备来处理。


 

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