热电偶温度范围热电动势刻度

热电偶允许测量实际相关的温度,范围从-270℃(金铁-镍铬)到+2800℃(钨铼3-钨铼25)由非金属材料制成的热电偶允许测量更高的温度.

德国惠美公司的HM8112-3台式万用表利用热电偶,铂传感器和热敏电阻器可以测量温度.

HM8112-3数字万用表测量DC,AC,频率和 温度(使用热电偶,铂传感器和热敏电阻器)
热电动势电压刻度:

热电动势电压刻度可以决定不同金属组合产生的接触电压.为了识别未知金属,通常热电偶前端采用铂金属,后端为被测金属.结合点温度100℃,冷端温度0℃,测量的热电动势电压决定被测金属类型.热电动势刻度给出的Kxp值就是那些组合金属的类型,它是用铂金以mV/100K来表示温度范围.实际上由于价格的原因很少采用铂金,组合金属A和B的电压Kab有以下关系:

Kab=Kap-Kbp
表1.在结合处0°C和100°C之间,热电动势刻度给出的温度差别
例子:

铁-康铜:Kkonst-Kfe=-3.47-1.87=5.34mV/100K.(根据DIN标准应当为5.5mV/100K)

热电压Vt=Kt(Tm-Tc)

这里Kt:金属热电动势常数
Tm:测量点温度
Tc:参考接合点温度

例子:

铜-康铜热电偶灵敏度0.05mV/K,热电压16mV,如果参考接合点温度为0℃,那么测量点的温度Tm为:

Tm-Tc=Vt/Kt
Tm-Tc=16mV/0.05mV/K=320K
Tc=0℃
Tm=320℃

热电偶类型和区分方法

用识别符号来区分热电偶,例如“类型J”, “类型K”.表2列出根据标准DIN IEC 584的热电偶类型:
表2.热电偶类型

另外有旧标准DIN437/10/13/14,英国BS4937和法国NF C42-324标准.每种标准有不同的颜色;根据旧DIN43710标准K型热电偶为红/绿.英国标准为棕/兰,法国标准为黄/紫.利用颜色来识别热电偶,特别在替代有缺陷的热电偶时非常有用.当然只利用颜色来识别是不够的,实际上还要测量其磁性,如铁,镍(无铬)和镍硅石磁性的.这可以排除几种可能.

实际上如以上提及的很难准确选择热电偶的类型.当选择一个热电偶时,需要考虑很多参数(测量点温度,环境温度,湿度,电磁场等).Condustrie 公司-MET AG(CH8260 Wetzikon,瑞士)专业设计和制造温度传感器.

补偿电缆

补偿电缆比热电偶(特别是铂和铼)便宜,它们具有灵活性和低阻性.当需要长距离测量时优先考虑补偿电缆.

图3 K型热电偶,连接器,补偿电缆
两种插头比较普遍(见图3),绿色插头(阴)是R和S型热电偶标准插头,大多用在固定安装.手持式仪表用黄色插头(阴),是K型热电偶.金属棒是一种热电偶,采用不锈钢金属密封.热电偶线采用氧化镁.弯曲和施压不会产生短路.这些金属棒主要用在工业,当测量点很难触及,可利用其弯曲特性,或遇到振动时可使用金属棒.金属棒必须连接特殊的压接端或者用补偿电缆连接.

标准电路,参考点和补偿箱

图4.热电偶温度测量电路
有两种标准电路.图4中参考点是点2和点3.对于测量这是非常重要的.它必须保持在恒定已知温度(例如冰瓶).对于长期测量,冰瓶是不够的.它必须由叫做补偿箱的来代替.补偿箱保持参考接合点和参考点环境温度影响的补偿系数NTC.参考点大多是一个等温块,既是电绝缘体,又是好的热导体.

德国惠美公司的HM8112-3数字万用表用热电偶,铂传感器和热敏电阻器来测量温度.

第二种连接方法如图5.

图5.热电偶(参考接合点)
这种电路经常出现在文献中.这里参考点不是铜线,而是点2.对于测量点2必须保持恒定已知温度或者必须校正.铜线点必须维持相同的温度以消除热电压.

热电偶优点:

● 经济实惠
● 长期稳定
● 小和低热电容
● 快速
● 有源传感器
● 大温度范围(0到2800℃)
● 坚固耐用

热电偶缺点:

● 由于热电偶由不相同的一对金属构成,必须当心闭合电路中不期望的热电偶.
● 产生的电压非常小,为了识别0.1度的分辨率,需要很低漂移的放大器.
● 根据介质类型,必须补偿总非线性.
● 信号非常低,例如7到75μV/度
● 参考点必须保持恒定已知温度或者输出必须校正.

实际中经常碰到的错误:

热电偶是两种不同金属焊接在一起.坏的焊接点将导致测量误差.急剧弯曲将断开接合点或短路.另一种错误是极性错误.

检测和维修故障:

如果测量接合点发热而电压表仍显示零,很可能电路中有断路.用欧姆表可以找到坏的焊接点.电阻值超过1K表明故障所在.电路中任何短路并不意味着输出为零.相反,一个新的热电偶在短路点将产生错误结果.这可以用加热测量点来验证:如果电压不变或不明显,极有可能某处存在短路.

如果热电偶极性连接错误,将不会引起例如-150度而是+150度！根据测量仪器类型不同,可显示任意值.测试方法相同:加热测量点,如果温度升高电压下降,表明极性错误.

所谓扩散错误是由周围环境粒子扩散到接合点引起的.大多是由施加于热电偶的强机械压力(例如弯曲和振动)或高温(>1000℃)造成的.这样的坏热电偶被称为中毒.当温度指示仍然正确时,这种错误很难检测.当测量值慢速漂移时出现扩散错误.替代中毒热电偶时也替代所有的补偿电缆,连接器等.

证明:闭合电路热电压总和为零:

进一步说明当电路由不同金属组成时,温度不同将产生热电压.

证明:

所有电压总和M:

-V1+V2+V3=0,因此: V1=V2+V3

V1(铁-康铜):KFe-CuNi=KFe-KCuNi:

1.87-(-3.47)=5.34mV/100K

V2(铜-康铜):KCu-CuNi=KCu-KCuNi:

0.72-(-3.47)=4.19mV/100K

V3(铁-铜):KFe-Cu=KFe-KCu:

1.87-(0.72)=1.15mV/100K

因此V1=V2+V3:

5.34mV/100K=4.19mV/100K+1.15mV/100K

计算证明电压表直接连接快速热电偶电压测量值为零,电路所有部件温度相同.只有测量和参考接合点温度不同,才能产生热电压.