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      熱電偶技術

      文章出處:深圳市連訊達電子技術開發有限公司 人氣:-發表時間:2023-05-03 00:00:00

      熱電偶是所有傳感器中復雜性很低的一種,因此既堅固耐用,又低成本,非常適用于工業應用領域。


      熱電偶由兩根材質不同的金屬導線組成,這兩根導線共同連接測量點,稱為熱接點。熱電偶的輸出是與熱接點和導線冷接點之間的溫差成比例的電壓。所產生的電壓非常小且是非線性的,這便給熱電偶儀器制造商帶來了設計難題。但如果設計得當,熱電偶便是一種成本非常低的傳感器,如果損壞則可輕松更換。


      熱電偶理論


      熱電偶電路至少有兩個接點:測量接點(熱接點)和參考接點或冷接點。參考接點是熱電偶的兩根導線連接測量儀器(例如數據記錄器)的接點。這是金屬材質從熱電偶金屬變成測量儀器金屬的點,大多數電子數據記錄器均采用銅線。


      熱電偶的輸出電壓與測量接點和參考接點之間的溫差有關。這是 Thomas Seebeck 在1821年觀察到一種現象后得出的結論。在該現象中,由兩個金屬材質不同的導線組成的電路在其中一個接點被加熱后改變了電壓表指針的位置。


      每一類熱電偶都有其特有的塞貝克(Seebeck) 電壓曲線。 塞貝克曲線取決于熱電偶兩根導線中使用的金屬,所產生的電壓以 mV 為單位。 熱電偶中使用的幾乎所有導線都是合金,合金的同質性對于測量系統的精度至關重要。


      應記住,電壓不是在熱接點處產生的,而是在存在熱梯度的區域沿著導線產生的。在精度要求高的應用場合,在使用熱電偶前檢查精度時應考慮到這一點。


      熱電偶類型

      熱電偶可分為兩大類;一類由普通金屬制成,一類由貴金屬制成。普通金屬成本較低,通常為銅、鐵或鎳合金。合金中金屬的確切比例不確定,但電壓/溫度響應曲線是確定的。因此,在微觀層面來看,來自兩個不同供應商的普通金屬熱電偶導線可能具有不同的金屬比例。貴金屬熱電偶由鉑和銠等貴金屬制成。貴金屬的確切純度和比例是確定的,其電壓/溫度曲線也是確定的。


      下面列出了一些常用的熱電偶類型及其使用范圍。


      熱電偶類型

      使用范圍(不包括電線絕緣限制)

      導線組成

      Type K

      -270 to 1370C  (-454 to 2500F)

      Ni-Cr (+ve ) and Ni -Al

      Type N

      -270 to 1300C  (-454 to 2372F)

      Ni-Cr-Si (+ve ) and Ni-Si-Mg

      Type T

      -270 to 400C (-454 to 752F)

      Cu (+ve) and Cu-Ni

      Type J

      -210 to 1200C (-346 to 2193F)

      Fe (+ve) and Cu-Ni

      Type E

      -270 to 1000C (-454 to 1832F)

      Ni-Cr (+ve) and Cu -Ni

      Type R

      -50 to 1768C (-58 to 3214F)

      Pt-13% Rh (+ve) and Pt

      Type S

      -50 to 1768C (-58 to 3214F)

      Pt-10% Rh (+ve) and Pt

      Type B

      0 to 1768C (32 to 3308F)

      Pt-30% Rh (+ve) and Pt


      熱電偶結構


      熱電偶的一個關鍵優勢在于:結構簡單,能夠針對具體應用進行設計;例如,在食品工業中,可將其輕松插到產品中,在金屬熱處理過程中,可將其焊接在產品上??蓪犭娕技舛藟浩?,以獲得更好的熱接觸效果,或將其連接在磁鐵上,以便快速固定。


      導線絕緣層可采用 PTFE 或玻璃纖維編織帶等柔性材料以起到絕緣作用,在溫度較高時,還可提供金屬或陶瓷護套。



      熱電偶儀表


      為確保獲得較好精度,需對熱電偶儀表(如數據記錄器)的電子和機械結構進行精心設計。儀表的機械設計必須確保,冷接點傳感器與熱電偶導線連接電路板銅軌/線的接點等溫。如果冷接點傳感器不能精確地跟蹤溫度變化,則將導致測量結果出現與跟蹤偏離度相同的誤差。確保該區域不存在熱梯度至關重要。


      由于熱電偶的電壓輸出很低,只有 4uV/C,因此在對信號進行數字化之前需要先進行放大處理。熱電偶通常是長平行導線,通常用于電氣設備工作環境較為惡劣的場合,在這種狀況下,它們會像天線一樣接收干擾信號,因此需要精心設計其電子結構以濾除干擾信號。


      總結

      熱電偶成本低,堅固耐用,應用溫度范圍廣。據估計,美國工業中超過一半的溫度讀數都是由熱電偶測得的。雖然其電壓輸出值小且非線性,但如果對測量儀器或數據記錄器進行精心設計,測量系統便可獲得精確且可重復的溫度數據。


      熱電偶理論又稱為塞貝克效應,描述了一種兩根不同材質的電導體由于存在溫差而產生電壓差的現象。


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