熱電偶冷(參考)端補償

在這篇博文中，我將簡要介紹熱電偶，特別是冷端和不同的冷端補償方法。

 

在處理過程儀表校準的多年工作中，我常常感到驚訝，即使是經常使用熱電偶的人也不總是了解熱電偶是如何工作的，尤其是冷端（參考）是如何工作的，因此他們在測量和校準中會出錯。

 

為了能夠討論冷端，我們首先需要對熱電偶理論和熱電偶的工作原理做一個簡短的了解。

 

我不會深入研究理論科學，但會更多地考慮實際情況，即在典型的過程設備中進行熱電偶測量和校準時，你應該知道的事情。

 

術語：冷端或參考端

 

熱電偶“冷端”通常被稱為“參考端”，但在我看來人們更經常使用“冷端”，所以在本文中我將使用“冷端”。

 

熱電偶

 

熱電偶是加工廠中常見的溫度傳感器。熱電偶的一些優點使其得到廣泛應用。它們可用于測量非常高的溫度，遠高于電阻式溫度傳感器（RTD）。熱電偶也是一個非常堅固的傳感器，所以它不容易斷裂。盡管熱電偶不如電阻式溫度傳感器準確，但在許多應用中它們的準確度足夠達到要求。熱電偶也是相對便宜的傳感器，而且熱電偶測量電路不需要像RTD電路那樣的勵磁電流，所以從這個意義上說，該電路更簡單。有許多不同類型的熱電偶針對不同的應用進行了優化。

 

一個熱電偶傳感器只有兩條線，似乎很容易使用。很可能出錯？

 

但是考慮到冷端和測量電路中的所有連接點，它并不總是看起來那么簡單。

 

讓我們開始進行冷端的討論，但在這之前，我們要多說幾句關于熱電偶理論的話，以幫助更好地理解冷端討論。

 

熱電偶是如何工作的？

 

讓我們看看熱電偶是如何工作的。熱電偶由兩條由不同的電導體制成的導線組成，它們在一端連接在一起（“熱”端），這是用來測量溫度的一端。

 

正如1821年托馬斯·約翰·塞貝克（Thomas Johann Seebeck）發現的那樣，當這些電線的連接點被置于不同的溫度下時，會產生熱電流，從而在開口端的電線之間產生一個很小的電壓。電壓取決于溫度和所用導電導線的材料。這種效應被稱為塞貝克效應。

 

熱電偶的簡化原理圖：

 

 

 

上圖中：“熱電偶材料1和2”代表熱電偶所用的兩種不同材料?！癟1”是熱電偶的熱端，即用于測量溫度的點。兩個“TCJ”是冷端的溫度。

 

上面的解釋有點簡單，因為熱電偶絲中的溫度梯度實際上產生了熱電壓，一直在“熱”和“冷”端之間。所以，不是連接點產生了電壓，而是沿著電線的溫度梯度產生了電壓。但熱電壓是在冷熱端之間產生的這一解釋更容易被理解。也許在以后的一些文章中可以提供更科學的熱電偶理論，但在這篇文章中，讓我們堅持從實際考慮。

 

熱電偶類型和材料

 

有許多類型的熱電偶由不同的材料和合金制造。不同的材料會導致不同的靈敏度,在相同的溫度下產生不同的熱電壓,并會影響其他特性,如最高溫度。

 

幾種不同的熱電偶類型已經標準化,并為所使用的指定材料提供了名稱。名稱通常非常短,通常只有一個字母,如 K、R、S、J、K 等類型。

 

下表列出了一些最常見的熱電偶及其材料:

 

線顏色

 

好消息是,熱電偶電線的顏色編碼,更容易識別。

 

壞消息是,有許多不同的標準的顏色代碼,他們彼此不同。

 

主要標準是 IEC60584-3(國際)和 ANSI(美國),但也有許多其他標準,如日本、法國、英國、荷蘭、德國等標準。因此很不幸,通過顏色識別類型有點復雜。

 

熱電偶的熱電壓

 

由于不同的熱電偶是由不同的材料制成的，因此熱電電壓也不同，如下圖所示。在同一溫度下，不同類型之間產生的電壓相差很大。

 

 

如果你想測量較低的溫度，顯然最好使用更敏感的類型，因為它們提供更高的電壓，更容易測量。但如果你需要去高溫，你需要選擇一些不太敏感的類型，可以在極端高溫下使用。

 

賽貝克系數表示熱電偶的電壓相對于溫度的變化有多大。這點以后再談。

 

上圖說明了不同熱電偶之間的不同靈敏度，也解釋了為什么熱電偶校驗儀對于不同類型的熱電偶通常具有不同的精度規格。測量裝置或校驗儀通常具有電壓中規定的電壓測量精度。例如，它的精度可以達到4微伏。由于熱電偶靈敏度不同,此 4 微伏精度根據熱電偶類型的不同,等于不同的溫度精度。

 

測量裝置（校驗儀）示例

 

讓我們來看看這兩個極端：200°C溫度下的E型和B型。E型在200°C時的靈敏度（賽貝克系數）約為74微伏/攝氏度，而B型在200°C時的靈敏度約為2微伏/攝氏度，兩者相差37倍。

 

舉個例子，如果您的測量設備能夠以4μV的電精度進行測量，則意味著它在200°C時為E型提供約0.05°C（4μV除以74μV/°C）的精度，在200°C時為B型提供2°C（4μV除以2μV/°C）的精度。

 

因此，我們可以了解為什么對于不同類型的熱電偶，熱電偶測量裝置/校驗儀的精度規格往往非常不同。

 

校驗儀精度

 

如果你看到一個溫度校驗儀的數據表，并且它對所有熱電偶類型都有相同的精度規格，請小心！通常這意味著規范/數據表是在市場部而不是技術部完成的。

 

這非常不現實。

 

標準

 

還有一些標準(例如 AMS2750E)要求所有熱電偶類型具有相同的精度,這在實踐中沒有多大意義,因為不同類型的熱電偶靈敏度存在巨大差異。

 

我之前已提到了塞貝克西貝克系數。這是熱電偶的靈敏度,它解釋了每次溫度變化產生的電壓。

 

下圖顯示了某些不同熱電偶的賽貝克系數:

 

 

 

 

冷端

 

現在,讓我們開始深入研究”冷端”.

 

早些時候,我展示了簡化的熱電偶原理的圖片,顯示兩個不同的導體連接在一起在”熱”端連接中產生了熱電壓。一個你應該會問的大問題是:電線的另一端呢?

 

這問題太棒了，我很高興你會問到！

 

當你測量熱電偶的電壓時，你可以把熱電偶的導線連接到萬用表上，很簡單，對嗎？不對！萬用表連接材料通常是鍍銅或鍍金的，因此它與熱電偶材料不同，這意味著您在萬用表連接中創建了兩個新的熱電偶！

 

讓我們用圖片來說明這一點：

 

 

 

在上圖中，材料1和材料2是形成熱電偶的兩個熱電偶材料?！盁岫恕笔撬鼈兒附釉谝黄鸬狞c，這是測量過程溫度的點，也是產生電壓U1的點。這個U1是我們要測量的。在“冷端”點，熱電偶與電壓表相連，電壓表的連接由不同的材料（材料3）制成。在這些連接中，產生了熱電壓U2和U3。正是這些U2和U3電壓我們不想測量，所以我們想去掉它們或者補償它們。

 

如上圖所示，您實際上是在測量串聯的三（3）個熱電偶的電壓。顯然，您只想測量“熱”端的電壓/溫度，而不想測量其他兩個連接點。

 

那么，你能做什么？

 

您需要以某種方式消除或補償冷端中產生的熱電偶。有不同的方法可以做到這一點。接下來我們來看看這些。

 

冷端選擇和補償方法

 

1.冰點槽法

 

根據其性質，熱電偶接頭在0°C（32°F）溫度下不會產生任何熱電壓。所以，你可以在那個溫度下連接冷端，例如在冰點槽中或者精確的溫度校準爐中。你可以在冰點槽中將熱電偶導線連接到銅線上，而在連接過程中不會產生熱電壓。那么你就不必擔心冷端了。

 

連接需要與冰浴中的水進行電氣隔離，以避免任何泄漏電流導致錯誤或可能產生腐蝕。

 

這是一種非常精確的方法，校準實驗室通常會這樣做。不管怎么說，在加工廠，這是不太實際的，所以它通常不用于加工廠。

 

 

 

 

例子：

 

如圖所示，連接N型熱電偶。電壓表顯示20808微伏。測量的溫度是多少？

 

E = E_N(t_U1) – E_N(t_r)

 

在這個公式里：

 

• E=測量電壓=20808μV
• EN(tU1)=熱端產生的電壓
• EN(tr)=冷（參考）端產生的電壓=0μV（IEC 60584 N型，0°C）
• EN(tU1) = E + EN(tr) = 20808 μV + 0 μV = 20808 μV = 605 °C（IEC 60584 N型，20808μV）

 

所以，溫度是605攝氏度。

 

2.固定溫度下的冷端

 

由于冰槽被發現是不切實際的，你也可以在已知的、固定的溫度做冷端連接。你可以用一個小的接線盒，它有一個溫度控制裝置，使接線盒始終保持一定的溫度。通常情況下，溫度高于環境溫度，所以箱子只需要加熱，而不需要冷卻。

 

當你知道冷端的溫度，你也知道你的熱電偶的類型，你可以計算和補償冷端的熱電壓。

 

許多測量設備或溫度校驗儀都具有輸入冷端溫度的功能，設備將為您進行所有計算并進行補償。

 

 

 

 

例子：

 

如圖所示，連接N型熱電偶。電壓表顯示19880微伏。冷（參考）端的溫度為35°C。測量的溫度是多少？

 

E=E_N(t_U1)–E_N(t_r)

 

在這個公式里：

 

• E=測量電壓=19880微伏
• E_N(t_U1)=熱端產生的電壓
• E_N(t_r) =參考（或冷）端產生的電壓=928μV（IEC 60584 N型，35°C）
• E_N(t_U1)=E+E_N(t_r) =19880μV+928μV=20808μV=605°C（IEC 60584 N型，20808μV）

 

所以，測量溫度是605°C。

 

請注意，熱電偶的計算必須始終以電壓為單位。一個常見的錯誤是尋找測量電壓的表值，并添加冷端溫度。在這種情況下，根據IEC 60584標準測量的19880μV的對應溫度為581.2°C。使用溫度值計算得出581.2°C+35°C=616.2°C。誤差為+11.2°C。

 

3. 測量冷端溫度

 

如果你不像前面的例子那樣調整冷端溫度，你可以用溫度傳感器測量冷端的溫度。然后，您可以補償冷端效應，但是補償有點困難，因為您需要一直測量冷端溫度，并且知道您的熱電偶類型，進行計算以了解冷端效應。

 

幸運的是，許多溫度校驗儀提供了使用溫度傳感器測量冷端溫度的功能，并且該設備自動進行所有補償和計算。

 

 

4.測量裝置中的自動在線補償

 

上一個例子很難實現是因為您需要隨時計算補償，但是您可以將其留給測量設備來自動計算。測量裝置（變送器、DCS輸入卡或溫度校驗儀）可隨時測量冷端溫度，并自動在線補償冷端誤差。由于測量裝置也知道熱電偶的類型（在菜單中選擇），所以可以自動連續地進行補償。

 

這必然是在正常測量和校準中補償冷端的最簡單和最實用的方法，因為您不需要擔心冷端，而是讓設備來處理。你只要把熱電偶的導線插入設備。

 

 

 

 

Beamex溫度校驗儀也支持這種自動補償。

 

相關Beamex產品

 

一系列Beamex溫度校驗儀支持上述所有冷端補償方法。

 

例如，請參考BeamexMC6校驗儀。MC6具有內部參考端的自動補償。它還提供了一個多功能連接器，您可以連接不同的熱電偶連接器，或裸熱電偶電線。