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热电偶工作原理

发布时间:2009-05-28 22:19:39  来源:资料室    作者:   更新20200529 075413

热电偶温度传感器的工作原理
塞贝克效应 :若金属棒的两端处在不同温度时,则自由电子便会由高温区扩散至低温区,因而产生热流及电流由高温区传流向低温区的现象。
热电偶 (Thermocouple):使两接点分别接触到不同的温度,则因在不同 金属内导电子的扩散速率不同,所以,在两金属内的扩散电流大小也会不同,因此会在两金属的连结回路中会形成一微小的净电流(约10μV左右),这个实践也可自己找两条不同材料的金属线连接到一起加温观察万用表读数。

但许多实际状况下,冷端温度并不是0℃,而是某一温度tn,因此在使用分度表时,必须对所测量得的电动势进行下式的修正:

ε(T,0) = ε(T, Tn) + ε(Tn, 0)

热偶电动势 = 仪表测量值 + 室温修正值

热电偶信号检测:

无法用万用表直接测量塞贝克效应之电压,因万用表接线与热电偶接线又会产生新的热电偶接面电压。


 电表接线与热电偶接线的热电偶接面电压由“差动放大器”共模增益抵销


 待测热电偶接面电压及参考热电偶接面电压由“差动放大器”差模增益放大

热电偶之特性: 
可量测之温度范围广泛,且传感器大多已规格化
热电偶的最高使用温度与金属线径大小、材料有关
不必附加其它电源来驱动传感器
可由电路的设计获得极佳之精确度

补偿导线之使用方法:
当测温器与热电偶的距离很长时,为了确保量测时的精度,最理想的解决方法是将热电偶依原来之金属线延长后来连接,这种方法在材料的花费上非常地昂贵高,所以出现了所谓的补偿导线来替代热电偶之导线。

通常补偿导线可分为两种,一为与热电偶同一材质的延伸型(extension type),另一种选择是与热电偶电动势特性相类似的合金补偿型(compensation type )。前者的精确度较佳,价钱也较昂贵,反之,后者则是价格低廉但却牺牲了精确度。

热电偶种类及工作温度:

热电偶温度计的类别名称(type of thermocouple) 测定温度范围(℃) 热电动势(mV) 优点 缺点 材料
+ -
高温用 K -200~1200 -5.89/-200℃
48.8/1200℃
1.广泛应用于工业
2.抗酸性佳
具线性性质
1.不适用于CO及亚硫酸瓦斯中
2.在高温还原性空气中会劣化
铬-镍 铝、锰、硅等镍合金
中温用 E -200~800 -8.82/-200℃
61.02/800℃
1.具有最大之热电动势 1.不可耐于还原性空气中使用
2.
铬-镍 镍-铜
J -200~350 -7.89/-200℃
72.28/750℃
1.可耐于还原性空气中使用 1.容易生锈 镍-铜
低温用 T -200~350 -5.6/-200℃
17.82/350℃
1.在弱酸性、还原性空气中很安定 1.300℃以上铜会氧化 镍-铜
超高温用 B 500~1700 1.24/500℃
12.4/1700℃
1.能耐于酸性空气中 1.不可耐于还原性空气中使用 30%铑-铂6%铑-铂
R 0~1600 0/0℃
18.84/1600℃
           13%铑-铂
S 0~1600 -7.89/-200℃
72.28/750℃
            10%铑-铂  铂

热电偶工作温度与线径关系:

热电偶种类 线径(㎜) 常用温度(℃) 常用温度(℃)

 K

0.65 650 850
1.00 750 950
1.60 850 1050
2.30 900 1100
3.20 1000 1200

 E

0.65 450 500
1.00 500 550
1.60 550 650
2.30 600 750
3.20 700 800

 J

0.65 400 500
1.00 450 550
1.60 500 650
2.30 550 750
3.20 600 750

T

0.32 200 250
0.65 200 250
1.00 250 300
1.6 300 350

B

0.50 1500 1700

RS

0.50 1400 1600

热电偶量测温度误差值探讨
 一、 计测器的误差:
 温度读数由温度控制器、记录器、电压表(mv)等显示之。而这些仪表都有或多或少的公差度。如分压式电压表误差量在0.001%加上0.01Μv以上。数字式温度控制器误差量至少为0.25%乘全程范围加上最后一位数字的误差度。
 
 二、 热电偶线的误差
 热电偶线料因各国标准不一,误差度也就不同。如美国ANSI TYPE K普通级±2.2℃或0.75%,精密级±1.1℃或0.4%、日本JIS TYPE K普通级±2.5℃或0.75%,精密级±1.5℃或0.4%。
 
 三、 基准接点的误差
 基准接点(冷接点)在校准作业上使用冰水槽时可能产生0.05℃到1℃的误差,热电偶在现场使用时,只要补偿导线和热电偶线的热电效应相同,且两接点均处于相同的温度时,不会影响此一回路电动势的大小。
 四、 补偿导线的误差:
 延长线料的校准不可靠度,约为热电偶线的两倍,因线料不同,区分为素线级(热偶线),导线级两种,误差度大致与热电偶线相同,惟使用延长线时,须保持适当的低温,否则将造成很大的误差。
 
 五、 热传导造成的误差:(俗称热短路)
 热电偶一端在热流板,另一端热流板外,若热电偶插入长度不够时,造成热流板内的热能经由保护管热传系数来决定,约为保护管和热电偶线传到热流板外,而热流板外温度传入热流板,形成热对流造成量测上的误差,一般视保护管热传系数来决定,约为保护管直径的10~20倍。
 
 六、 绝缘不良的误差:(俗称电短路)
 热电偶在高温时,绝缘电阻下降,以致引起两线间短路的现象,其误差值可达量测温度的1%~10%以上,有时为正,有时为负,依其短路的位置而定。
 
 七、 磁力效应造成的误差:
 热电偶线或补偿导线,受磁场干扰时,使金属材料中的电子移动遭受影响,而改变材质的电动势。
 诱导性磁场:变压器、马达所产生的磁场,导线用铜网铁网遮蔽。
 电流性磁场:电气电缆中的电流产生的磁场,导线用铜铂遮蔽。
 
 八、 磨擦造成的误差:
 热电偶和高速流体(气体、液体)磨擦所产生的热能造成误差。
 
 九、 热辐射造成的误差:
 热电偶太靠近热源,而因辐射热造成量测温度比实际温度偏高。
 
 
十、 自生热造成的误差:
 
功率:电流平方x电阻,因闭回路中产生电流而使传感器(热偶线、白金测温体)自身产生热能产生误差。此一效应在电阻式温度计更为明显,在选购时最好使用低电流者,以提高量测的精密度。


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