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热电偶的结构、工作原理及好坏检测方法


编辑:2021-05-21 13:19:06

热电偶是一种测温元件,可以将不同的温度转换成大小不同的电信号, 广泛用在一些测温领域,如测温仪器仪表和冶金、石油化工、热电站、纺织和造纸等行业的测温系统中。常见的热电偶外形如图14-22所示。

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14-22 常见的热电偶外形

热电效应与热电偶测量原理

(1)热电效应

当将两个不同的导体(或半导体)两端连接起来时,如图14-23所示,如果结点1的温度 T 1 大于结点2的温度 T 2 ,那么该回路会有电动势(常称为热电势)产生,由于两导体连接构成了闭合回路,因而回路中有电流流过,这种现象称为塞贝克效应,也即热电效应。两结点温差越大,回路产生的电动势越高,回路中的电流就越大。

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14-23 热电效应说明图

(2)利用热电偶测量温度

在图14-23中,如果将结点2的温度 T 2 固定下来(如固定为0℃),那么回路产生的电动势就随结点1的温度 T 1 变化而变化,只要测得回路电动势或电流值,就能确定结点1的 T 1 温度值。利用热电偶测量温度的接线如图14-24所示网站新闻热电偶314-24 热电偶测量温度的两种连接方式

14-24(a)接线中,导体B被分作两部分,中间接入导体C(导线和电流表),只要3、4点的温度相同,回路的电动势大小与3、4点直接连接起来是一样的。在图14-24(b)接线中,取消了结点2,但只要3、4点的温度相同,回路中的电动势大小与有结点2是一样的。在利用热电偶测量温度时,一般使用图14-24(b)所示的接线方式,在该方式中,3、4称为冷端(或自由端),结点1称为热端,在测量温度时,将结点1接触被测对象。

在图14-24(b)接线中,如果希望测量尽量精度高,应不用导线直接将仪表接3、4端,但由于测量对象与测量仪表往往有较远的距离,故一般测量时常使用补偿导线来连接热电偶与测量仪表。补偿导线有两种:一种采用伸长型的与热电偶材料相同的导线,另一种采用与热电偶具有类似热电势特性的合金导线。

(3)冷端温度补偿

在使用热电偶测温度时,仪表根据热电偶产生的电动势大小来确定被测温度值,而电动势的大小与热、冷端的温差有关,温差越大,热电偶产生的电动势越大,为了让电动势值与温度值一一对应,通常让冷端为0℃。在实际测量中,冷端温度通常与环境温度一致,如25℃左右,如果将冷端为0℃、热端为40℃时热电偶产生的电动势设为E40,这时仪表显示温度值应为40℃,那么在冷端为25℃、热端为40℃时热电偶产生的电动势肯定小于E40,仪表显示温度值会小于40℃,测量出现很大的偏差。为了使测量准确,需要对热电偶进行冷端温度补偿。

① 冰浴补偿法 冰浴补偿法是指将热电偶的冷端放置在冰水混合物中,让冷端温度恒定为0℃的补偿方法。冰浴补偿法如图14-25所示,补偿导线一端通过接线盒与热电偶的热端连接,另一端与铜线连接形成接点,该接点为冷端,它被放置在0℃的冰水混合物中,铜线的另一端接毫伏表,用于测量热电偶产生的电动势,如果将毫伏表刻度按一定的规律标记成温度值,该装置就是温度测量装置。

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14-25 冰浴补偿法

在冰浴补偿法测温时,由于冰融化很快,不能长时间让冷端保持0℃,故该方法通常用在实验室中。

② 偏差修正法 在测量时,若热电偶的冷端温度不为0℃,可采用偏差修正法来补偿。如果测量时热电偶热端温度为 T ,冷端温度为 T 1 ,仪表测量值为 E 1 , E T - T 1 为 T – T 1 温差产生的电动势值,而 T 1 -0温差产生的电动势值为 E T 1 - 0 (该值可通过查相应材料热电偶的分度表来获得),那么将仪表测量值 E T - T 1 加上修正值 E T 1 - 0 ,所得电动势 E T - 0 值在仪表上所对应的值即为实际温度值。偏差修正法有两种方式:一种是手动修正,另一种是自动修正。手动修正法使用如图14-26所示,如果环境温度(气温)为40℃,可调节机械校零旋钮,将表针调到40℃位置,进行冷端温度修正。一些数字温度测量仪表通常采用自动修正方式,即自动给实测值加上冷端温度值并显示出来。

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14-26 手动修正法

结构说明

热电偶有各种各样的外形,但基本结构是一致的,图14-27是一种典型的热电偶组成结构。

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14-27 典型的热电偶组成结构

利用热电偶配合数字万用表测量电烙铁的温度

有的数字万用表具有温度测量功能,VC9208型数字万用表就具有该功能,它采用K型热电偶和温度测量挡配合可测量–40~ 1000℃的温度。VC9208型数字万用表配套的K型热电偶(镍铬-镍硅)如图14-28所示,它由热端(测温端)、补偿导线和冷端组成。

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14-28 数字万用表使用的热电偶

利用热电偶测量电烙铁的温度操作过程如图14-29所示,将热电偶的黑插头(冷端)插入“mA”孔、红插头(冷端)插入“COM”孔,再将挡位选择开关置于“℃”端,将热电偶的热端(测温端)接触电烙铁,然后观察显示屏显示的数值为“244”,则说明电烙铁的温度为244℃。

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14-29 利用热电偶测量电烙铁温度的操作

好坏检测

热电偶是由两种不同导体焊接起来构成,其一端焊接起来,另一端通过补偿导线连接测量仪表。检测热电偶好坏可按以下两步进行。

******步:测量热电偶的电阻。万用表拨至 R ×1Ω挡,红、黑表笔分别接热电偶的两根补偿导线,如果热电偶及补偿导线正常,测得的阻值较小(几欧至几十欧),若阻值无穷大,则为热电偶或补偿导线开路。

第二步:测量热电偶的热电转换效果。万用表拨至***小的直流电压挡,红、黑表笔分别接热电偶的两根补偿导线,然后将热电偶的热端接触温度高的物体(如烧热的铁锅),如果热电偶正常,万用表表针会指示一定的电压值,随着热端温度上升,表针指示电压值会慢慢增大,用数字万用表测量时,电压值变化较明显,如果电压值为0,说明热电偶无法进行热电转换,热电偶损坏或失效。

多个热电偶连接的灵活使用

热电偶不但能单独使用,还可以将多个热电偶连接在一起使用,从而实现各种灵活的温度测量功能。

(1)测量两点间的温度差

利用热电偶测量两点间温度差的接线如图14-30所示,将两热电偶同性质的B极连接在一起,两个A极分别接仪表两输入端,如果一个热电偶接触 T 1 温度产生的电压为 U T 1 ,另一个热电偶接触 T 2 温度产生的电压为 U T 2,那么 U T 1 – U T 2 就是 T 1 – T 2 温差产生的电压,它驱动仪表显示出温差值。

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14-30 利用热电偶测量两点间温度差的接线

(2)测量多点的平均温度值

利用热电偶测量多点的平均温度值的接线如图14-31所示,将热电偶的B极全部连接到一起,再接到仪表一个输入端,各A极分别通过一个阻值为 R 的电阻接到仪表的另一个输入端,即将各热电偶并联起来再接仪表,仪表显示出来的为各点温度的平均值。

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14-31 利用热电偶测量多点的平均温度值的接线

(3)测量多点温度之和

利用热电偶测量多点温度之和的接线如图14-32所示,它实际上是把各个热电偶串联起来,将各热电偶产生的电压叠加后送给仪表。

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14-32 利用热电偶测量多点温度之和的接线

(4) 多个热电偶共用一台仪表

(5) 多个热电偶共用一台仪表的接线如图14-33所示,当切换开关切换到不同位置时,相应的热电偶就与仪表连接起来。

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14-33 多个热电偶共用一台仪表的接线


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