当前位置:首页检测中心基础知识 │ 热电偶原理

热电偶原理

  • 浏览次数:2042次
  • 发布时间:2015/10/4 16:01:38
  • 作者:hb_yinhe

  热电偶是常见的温度测量元件,热电偶原理比较简单,它直接把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表转换成被测介质的温度,虽然原理简单,但测量并不简单。

热电偶测温原理

  热电偶产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成。

  接触电势:两种不同材料的导体,其电子密度是不同的。当两种不同材料的导体两端接合在一起时,在连接处,会发生电子扩散,电子扩散的速率与自由电子的密度以及导体的温度成正比。于是就在连接处形成电位差,即接触电势。

  温差电势:当一根导体的两端温度不同时,在导体内部两端的自由电子相互扩散的速率不同,这个在高低温端之间一个静电场。此时导体上产生一个相应的电位差,称为温差电势。此电势只与导体的性质和导体两端的温度有关,与导体的长度、截面大小、沿导体长度上的温度分布无关。

热电偶的示意图

图1 热电偶的示意图

热电偶的测量电路图

图2 热电偶的测量电路图

  直接用作测量介质温度的一端叫做工作端(也称为测量端),另一端叫做冷端(也称为补偿端);冷端与显示仪表或配套仪表连接,显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。

  在实际热电偶的测量中,热电偶的测量电路一般由热电偶(A、B两种导体)、连接导线C和测量仪器组成。测量时将热电偶置于被测环境中,如图2所示,形成有J1、J2、J3三个接触电势,以及两个温差电势,整个热电偶的电势由这几部分构成。

  为了更好的理解这几部分的电势,我们需要了解一个定律:中间导体定律。

  中间导体定律:在热电偶回路中接入中间导体(第三导体),只要中间导体两端温度相同,中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响。

  由中间导体定义推导出:

  1、组成热电偶回路的两种导体材料相同时,无论两接点温度如何,回路总热电势等于零。

  2、如果热电偶两接点的温度相同,则尽管导体A,B材料不同,热电偶回路的总电势亦为零。

  所以J2和J3处于同一温度点,接触电势等于零。同时,在测量时,为了消除温差电势对测量影响,我们对连接导线C会有比较严格的要求,连接导线C我们称之为补偿导线,补偿导线实际上是同分度热电偶是同材质的导线,这样回路中温差电势也为零。这样整个回路的电势只与J1的电势有关。由于热电偶技术条件都是指冷端(非工作端)处在0℃时的电动势,要求工作时,保持0℃,这样热电势才能正确反映热端温度大小,否则就会产生误差。为了修正在室温下的测量误差,热电偶一般进行温度补偿。

热电偶的温度补偿

  热电偶冷端温度补偿的方法主要有:

01冷端恒温法

  这种方法将热电偶的冷端放在恒温场合,有0℃恒温器和其他恒温器两种。

02电桥补偿法

  热电偶经补偿导线接至补偿电桥,热电偶冷端与电桥处于同一环境温度中,利用不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。

03计算修正法

  由于热电偶E-T之间通常呈非线性关系,当冷端温度不为0摄氏度时,不能利用已知回路实际热电势E(t,t0)直接查表求取热端温度值;也不能利用已知回路实际热电势E(t,t0)直接查表求取的温度值,再加上冷端温度确定热端被测温度值,需按中间温度定律进行修正。

  中间温度定律:热电偶回路两接点(温度为T、T0)间的热电势,等于热电偶在温度为T、Tn时的热电势与在温度为Tn、T0时的热电势的代数和。Tn称中间温度。

热电偶的测量优点

  热电偶的测量相对热电阻来说要复杂得多,但是以其独特的优点得到广泛应用。

  1、测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触,不受中间介质的影响。

  2、测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均连续测量,某些特殊热电偶最低可测到-269℃(如金铁镍铬),最高可达+2800℃(如钨-铼)。

  3、构造简单,使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成,而且不受大小的限制,外有保护套管,用起来非常方便。