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關于熱電偶的基本知識以及一些實際問題

來源:發表時間:2019-08-09


      溫度是最常測量的實際變量,盡管它的年齡,熱電偶仍然是最常用的溫度傳感器之一。它們用于測試和測量設備,儀器儀表,甚至用于标準家用烤箱,因為它們具有低成本,可靠性,簡單性以及測量到數百度的能力。
什麼是熱電偶?它是如何工作的?
      熱電偶是由兩端焊接在一起的傳感器或兩根不同金屬的導線組成,如圖1所示。在物理學家托馬斯?約翰?塞貝克(Thomas Johann Seebeck)于1821年發現它之後,電線配對沿着它的長度産生一個與溫度成可重複關系的小電壓,這與物理原理稱為塞貝克效應有關(他不知道它是什麼當時; HansChristian?rsted意識到它實際上是一種熱電效應)。根據檢測到的溫度和使用的金屬,電壓相對較小,從幾毫伏到幾十毫伏不等。


      圖1:熱電偶的概念很簡單:兩個不同的金屬在一個點連接會産生一個與結溫直接相關的電壓。
      與通常的假設相反,雖然這種誤解不會影響熱電偶的使用,但結點本身并未産生電壓。
為什麼使用熱電偶來感應溫度?
      —盡管有許多其他溫度傳感器,如固态設備,但經常使用熱電偶的原因有很多:
它的成本低;
      —它的準确性和可重複性:基本的熱電偶可以提供1或2°C的精度,并且通過小心和校準,可以實現0.1°C的精度;
      —根據所使用的金屬配對,熱電偶可以發揮數百甚至數千度的作用
      —它們是可靠的:除了開路故障(很容易檢測到)外,傳感器幾乎沒有任何問題。熱電偶不能脫離校準,因為它的—性能是形成它的兩種金屬絲的組成的函數,盡管它可能受腐蝕劑或化學品的影響;
      —性能是一緻的,因為由高純度金屬制成的熱電偶将根據衆所周知的溫度/電壓關系表現;
      —熱電偶可以配置和布置,以适應各種具有挑戰性的物理環境和外殼。
熱電偶有哪些缺點?
      —電線本身可能很昂貴,例如當使用鉑或特殊材料時;
      —因為熱電偶是由導電金屬制成的,所以它必須經常電氣但不能與周圍環境隔熱;
      —熱電偶的響應時間常數是其質量的函數,因此更大或更長的熱電偶可能具有大約幾秒的響應時間,并且微小的熱電偶用于克服這個問題;
      —由于熱電偶的輸出電壓很小,接口電路很難設計和實現;
      —熱電偶的輸出不是線性的,必須在大多數情況下進行校正(在第2部分中更多内容);
      —上海自動化儀表三廠熱電偶的兩根導線與常規銅線電纜或連接器之間的互連形成另一種熱電偶,需要進行補償(更多内容見第2部分);
      —根據它們的安裝和保護方式,它們的導線可能會受到彎曲,疲勞失效以及最終的開路(同樣易于電氣檢測)。
什麼是最常用的熱電偶線類型?
      業界采用并描述了許多類型,如圖2,例如J型,K型等。每種都在材料配對,性能,絕緣顔色和其他屬性方面進行了标準化。用戶根據範圍,準确度以及可接受或首選的操作環境選擇最佳配對。


圖2:該表隻是标準熱電偶,其屬性及其識别的許多内容之一
溫度,熱電偶類型和塞貝克電壓之間有什麼關系?
      這種關系是單調的,非線性的,是這對中金屬的函數,當然,所用金屬的純度也是因素。雖然許多表格是在測溫早期開發的,但它們對工業和科學的重要性導緻了ASTM(以前稱為美國材料測試協會)和商務部國家标準局(NBS) - 現在的國家标準局标準與技術(NIST) - 開發詳細,高度準确的标準化表格,顯示兩個方向的溫度 - 電壓輸入/輸出關系。
      對于所有标準類型,他們還進行了複雜的曲線拟合,以開發複雜的非線性方程式,可用于代替表格來計算電壓的溫度,反之亦然。
除了測量溫度外,還可以使用熱電偶做任何事情嗎?
      當然,是的:它們被用作實際産品中的熱電壓/電源以及一些實際上不屬于這個世界的應用。例如:
      當必須加熱水時,許多燃氣家用熱水器有一個小的指示燈點燃燃燒器。為了安全起見,有一個閥門聯鎖裝置打開,隻有在燃燒器啟動時才允許氣體流動(為了防止未燃燒的氣體持續流動,這是一個明顯的危險。閥門啟動的動力來自陣列燃燒器周圍的熱電偶,使一些燃燒器火焰加熱熱電偶,從而産生激活繼電器和保持閥門打開所需的電壓。這是一種低成本,高可靠性,簡單,故障安全的設計;
      一些野營爐具,如Biolite的爐子,在爐子的火焰中使用熱電偶為小風扇提供動力,從而改善氣流和燃燒; 有些型号甚至使用這種電源來提供USB充電端口。當然,沒有“免費午餐”:熱電偶為風扇或充電器功能吸收的任何熱量都是不能用于烹饪的熱量;
      最後,所有超出太陽系内部的航天器都使用基于熱電偶的電源,因為太陽光線太弱而太陽能電池闆無效。放射性同位素熱電發電機(RTG)是放射性物質的罐,通常是钚-238,被數百個熱電偶包圍。
随着钚經曆其天然放射性衰變,熱量被熱電偶陣列捕獲以産生恒定功率,實際最大值高達數百瓦。由于钚-238的半衰期為70年,因此這種“電池”可以存活數十年。這已經由旅行者1号和旅行者2号航天器證明,該航天器于1977年發射并且已經超越了太陽系的邊緣并且仍在傳輸。
      成千上萬的這些RTG已被用于深空任務,用于靠近地球的長壽任務,用于月球黑暗面的着陸器,甚至還用于為地球北極和南極附近的科學和信标站供電。
      下篇文章的将介紹熱電偶接口問題,冷端補償,線性化技術。

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