深入淺出常用元器件系列——熱電偶
溫差熱電偶(簡稱熱電偶)是目前溫度測量中使用最普遍的傳感器之一,它具有結(jié)構(gòu)簡單、測量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小、輸出信號(hào)為電壓信號(hào)不需要激勵(lì)等優(yōu)點(diǎn),能夠用于流體、固體、固體壁面等各種不同測試測量場合。
熱電偶測溫原理
當(dāng)導(dǎo)電物質(zhì)處于溫度時(shí),其電子或空穴會(huì)隨著溫度梯度由高溫區(qū)往低溫區(qū)移動(dòng),由此產(chǎn)生的電荷堆積的現(xiàn)象稱作熱電效應(yīng),因熱電效應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為熱電動(dòng)勢(shì)。
如果采用兩種電子密度同的導(dǎo)體連接成閉合回路,如果兩端所處的溫度不同,在該回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì),如下圖所示。
在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體,只要該導(dǎo)體兩端的溫度相同,則整個(gè)熱電偶回路中產(chǎn)生的總的熱電勢(shì)是不變的,這種現(xiàn)象稱為中間導(dǎo)體效應(yīng),可以通過簡單的推導(dǎo)得到。
由此,我們得到了實(shí)際使用的熱電偶原型如下圖所示,采用兩種不同金屬相連構(gòu)成測溫點(diǎn)(通常稱為“熱端”),另一端分別接銅線引到信號(hào)調(diào)理電路,熱電偶金屬和銅走線之間的兩個(gè)接合點(diǎn)溫度相同,為參考點(diǎn)(通常稱為“冷端”)。
在參考點(diǎn)和產(chǎn)生的電壓取決于測量點(diǎn)和參考點(diǎn)兩處的溫度,由前面所講的熱電偶測量原理可以知道,在使用過程中需要知道參考點(diǎn)的溫度才能獲得測量點(diǎn)的準(zhǔn)確溫度讀數(shù)。
熱電偶的特點(diǎn)
1.優(yōu)點(diǎn)♦ 溫度范圍廣,熱電偶測溫電路采用不同類型的熱電偶,測量范圍可達(dá)-200 到+2500 ,適用于大多數(shù)實(shí)際的溫度范圍。 ♦ 堅(jiān)固耐用,熱電偶屬于耐用器件,抗振動(dòng)沖擊性能好,適用于危險(xiǎn)惡劣的環(huán)境。 ♦ 響應(yīng)快,因?yàn)闊犭娕俭w積小,熱容量小,熱電偶對(duì)溫度的響應(yīng)速度很快,尤其是在熱點(diǎn)裸露的情況下。熱電偶可在數(shù)百毫秒內(nèi)對(duì)溫度變化作出響應(yīng)。 ♦ 無自身發(fā)熱,由于熱電偶不需要激勵(lì)電源,不會(huì)自發(fā)熱,不會(huì)因自發(fā)熱而造成測量誤差。
2.缺點(diǎn)♦ 信號(hào)調(diào)理電路復(fù)雜,將熱電偶的直接輸出電壓轉(zhuǎn)換成可用的溫度讀數(shù),必須進(jìn)行大量的信號(hào)調(diào)理。一量處理不當(dāng),就會(huì)引入誤差,導(dǎo)致測量精度下降。 ♦ 精度低,除了由于構(gòu)成熱電偶的金屬本身特性導(dǎo)致的熱電偶內(nèi)部固有不確定性外,熱電偶測量精度還依賴于冷端溫度的測量精度,因此熱電偶的測量精度一般在1 到2 。 ♦ 抗噪性能差,由于熱電偶直接輸出電壓信號(hào)量級(jí)較小,當(dāng)測量環(huán)境周圍存在雜散電場或磁場時(shí),可能會(huì)引起問題,根據(jù)使用環(huán)境的要求,可能需要采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。 ♦ 易受腐蝕,因?yàn)闊犭娕加蓛煞N不同的金屬構(gòu)成,在某些工況下,長時(shí)間使用造成腐蝕,所以根據(jù)使用條件的不同,可能需要保護(hù)措施。
3.電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)
♦ 電壓信號(hào)太弱,最常見的熱電偶類型有J型,K型,T型,在室溫下其靈敏度分別分,這種微弱的信號(hào)在送入ADC之前需要進(jìn)行較高增益的信號(hào)放大(通常需要100倍左右)。同時(shí),由于信號(hào)如此微弱,為避免被噪聲淹沒,通常采用低通濾波和差分輸入放大的放大器來對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。 ♦ 參考接合點(diǎn)溫度補(bǔ)償,要得到測量端的絕對(duì)溫度讀數(shù),需要對(duì)冷端溫度進(jìn)行測量。冷端溫度測量一般使用另外一種能夠輸出絕對(duì)溫度的傳感器,如熱電阻、熱敏電阻、集成測溫IC等,以冷端測溫結(jié)果來對(duì)熱電偶的測溫結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。 ♦ 非線性校正,熱電偶的輸出結(jié)果在非線性非常嚴(yán)重,在不同溫度下靈敏度有很大差異,如下圖為三種典型熱電偶的溫度特性曲線,在實(shí)際使用中需要對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行非線性校正。常用的非線性校正的方法有:模擬電路補(bǔ)償、分段線性化、查表、高階擬合等。
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