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上海仪表三厂两种热电偶的测量方案

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019/4/9     浏览次数:    
热电偶是一种广泛用于温度测量的简单元件。本文简单概述了热电偶,介绍了利用热电偶进行设计的过程中常见的挑战,并提出 两种信号调理解决方案。
热电偶原理

热电偶由在一头相连的两根不同金属线组成,相连端称为测量(“热”)接合点。金属线不相连的另一头接到信号调理电路走线,它一般由铜制成。在热电偶金属和铜走线之间的这一个接合点叫做参考(“冷”)接合点。

热电偶

*我们使用术语“测量接合点“和“参考接合点”而不是更传统的“热接合点”和“冷接合点”。传统命名体系可能会令人产生困惑,因为在许多应用中,测量接合点可能比参考接合点温度更低。

在参考接合点处产生的电压取决于测量接合点和参考接合点两处的温度。由于热电偶是一种差分器件而不是绝对式温度测量器件,必须知道参考接合点温度以获得精确的绝对温度读数。这一过程被称为参考接合点温度补偿(冷接合点补偿)。

热电偶已成为在合理精度内高性价比测量宽温度范围的工业标准方法。它们应用于高达 约+2500°C的各种场合,如锅炉、热水器、烤箱和风机引擎等。K型是最受欢迎的热电偶,包括Chromel?和Alumel?(特点是分别含铬、铝、 镁和硅的镍合金),测量范围是–200°C至+1250°C。

为什么使用热电偶?
优点
温度范围广:从低温到喷气引擎废气,热电偶适用于大多数实际的温度范围。热电偶测量温度范围在–200°C至+2500°C之间, 具体取决于所使用的金属线。坚固耐用:热电偶属于耐用器件,抗冲击振动性好,适合于危险恶劣的环境。响应快:因为它们体积。热萘康,热电偶对温度变化响应快,尤其在感应接合点裸露时。它们可在数百毫秒内对温度变化作出响应。无自发热:由于热电偶不需要激励电源,因此不易自发热,其本身是安全的。
缺点
信号调理复杂:将热电偶电压转换成可用的温度读数必需进行大量的信号调理。一直以来,信号调理耗费大量设计时间,处理不当就会引入误差,导致精度降低。精度低:除了由于金属特性导致的热电偶内部固有不精确性外,热电偶测量精度只能达到参考接合点温度的测量精度,一般在1°C至2°C内。易受腐蚀:因为热电偶由两种不同的金属所组成,在一些工况下,随时间而腐蚀可能会降低精度。因此,它们可能需要保护;且保养维护必不可少。抗噪性差:当测量毫伏级信号变化时,杂散电场和磁场产生的噪声可能会引起问题。绞合的热电偶线对可能 大幅降低磁场耦合。使用屏蔽电缆或在金属导管内走线和防护可降低电场耦合。测量器件应当提供硬件或软件方式的信号过滤,有力抑制工频频率(50 Hz/60 Hz)及其谐波。
热电偶测量的难点
将热电偶产生的电压变换成精确的温度读数并不是件轻松的事情,原因很多:电压信号太弱,温度电压关系呈非线性,需要参考接合点补偿,且热电偶可能引起接地问题。让我们逐一分析这些问题。

电压信号太弱:最常见的热电偶类型有J、K和T型。在室温下,其电压变化幅度分别为52 μV/°C、41 μV/°C和41 μV/°C。其它较少见的类型温度电压变化幅度甚至更小。这种微弱的信号在模数转换前需要较高的增益级。表1比较了各种热电偶类型的灵敏度。

表1. 25°C时各种热电偶类型的电压变化和温度升高关系



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