热电偶工作原理及简图
 
  热电偶是一种感温元件,是一次仪表,它直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信号, 再通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质的温度。
 
  热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在电动势——热电动势,这就是所谓的塞贝克效应。
 
  两种不同成份的均质导体为热电极,温度较高的一端为工作端,温度较低的一端为自由端,自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系, 制成热电偶分度表; 分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的,不同的热电偶具有不同的分度表。
 
  在热电偶回路中接入第三种金属材料时, 只要该材料两个接点的温度相同, 热电偶所产生的热电势将保持不变,即不受第三种金属接入回路中的影响。因此, 在热电偶测温时, 可接入测量仪表, 测得热电动势后, 即可知道被测介质的温度。
 
  热电偶将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来,构成一个闭合回路,如图所示。
 
 
  当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时,两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。
 
  两种不同成份的导体(称为热电偶丝材或热电极)两端接合成回路,当接合点的温度不同时,在回路中就会产生电动势,这种现象称为热电效应,而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的,其中,直接用作测量介质温度的一端叫做工作端(也称为测量端),另一端叫做冷端(也称为补偿端);冷端与显示仪表或配套仪表连接,显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。
 
  热电偶实际上是一种能量转换器,它将热能转换为电能,用所产生的热电势测量温度,对于热电偶的热电势,应注意如下几个问题:
 
  1:热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差,而不是热电偶两端温度差的函数;
 
  2 :热电偶所产生的热电势的大小,当热电偶的材料是均匀时,与热电偶的长度和直径无关,只与热电偶材料的成份和两端的温差有关;
 
  3:当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后,热电偶热电势的大小,只与热电偶的温度差有关;若热电偶冷端的温度保持一定,这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。
 
  热电偶的材料一般都比较贵重(特别是采用贵金属时),而测温点到仪表的距离都很远,为了节省热电偶材料,降低成本,通常采用补偿导线把热电偶的冷端(自由端)延伸到温度比较稳定的控制室内,连接到仪表端子上。必须指出,热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极,使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上,它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响,不起补偿作用。
 
  绝缘管
 
  该热电偶的工作端被牢固地焊接在一起,热电极之间需要用绝缘管保护。热电偶的绝缘材料很多,大体上可分为有机和无机绝缘两类,处于高温端的绝缘物必须采用无机物,通常在1000以下选用粘土质绝缘管,在1300以下选用高铝管,在1600以下选用刚玉管。
 
  保护管
 
  保护管的作用在于使用热电偶电极不直接与被测介质接触,它不仅可延长热电偶的寿命,还可起到支撑和固定热电极增加其强度的作用;因此,热电偶保护管及绝缘选择是否合适,将直接影响到热电偶的使用寿命和测量的准确度,被采用做保护管的材料主要分金属和非金属两大类。
 
  小结:
 
 
  热电偶是工业温度测量常用的传感器,它具有精度高、经济和温度宽的特点。热电偶测量其热端和冷端之间的温度差。为了得到热端感测点的绝对温度,必须测试冷端温度和相应地调节热电偶输出。现在位于热电偶信号处理单元输入端的冷端同温通常靠具有高热导率的材料片保持。热导率381W/mK的铜是理想的材料。输入连接必须电隔离,热连路到片上。整个信号处理单元理想上应该处在这种同温环境中。
 
  热电偶信号范围为μV/℃量级,热电偶的信号处理单元对电磁干扰(EMI)敏感,热电偶线往往遭受EMI。EMI增加了接收信号的不确定性和损害所采集温度数据的精度。另外,此连接所需的专门热电偶缆线是昂贵的,假若无意中用另外的缆线替代,则会变得分析困难。
 
  由于EMI与线长度成正比,所以要使干扰最小的通常选择是把控制电路靠近感测点,增加一个靠近感测点的远程板或采用复杂的信号滤波和缆线屏蔽。一个比较妙的方案是在靠近感测点数字化热电偶输出。
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