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浅谈热电偶温度计在工控测温中的应用

     热电偶温度计它担负着对生产过程的检测和控制,是保证生产连续和无热污染运行的关键。热电偶的测温范围广,可以在1K至2800℃的范围内使用,精度高,性能稳定,结构简单,动态特性好,由温度转换的电信号便于处理和远传,在工农业生产、环境保护和能源节约中发挥着重要作用。

一、测温原理

      由两种不同的金属A和B构成一个闭合回路,当两个接触端的温度不同即T> T0时,回路中会产生热电势E。约定T端为热端、工作端或测量端,T0端为冷端、自由端或参比端,A和B称为热电极,电势E的大小是由接触电势和温差电势所决定的。

      两种不同金属接触产生接触电动势:由于金属导体材料不同,金属导体内部的自由电子密度也不同,当两种不同的金属导体A和B接触时,自由电子就会从密度大的导体扩散到密度小的导体中去,从面产生自由电子的扩散现象。若A导体的自由密度比B导体的自由密度大,将会有较多的自由电子从A导体扩散到B导体中,直到两导体电子密度达到平衡,这样导体A因失去电子带上正电荷,而导体B得到电子带上负电荷,这样A和B接触点就形成- -定的电位差,我们称之为接触电势。

在同一导体中,当导体两端的温度不同即T>T0时,两端电子能量就不同,温度高的一端电子能量大,电子就会从高温端扩散到低温端,然后达到一个电子密度平衡,这样导体的两端形成一定的电位差称之为温差电势。

二、热电偶的定则

1.导体均质。由一种均质导体所组成的闭合回路,热电势不受导体的截面积和各处的温度影响。

2.中间导体温度相等。在热电偶回路中接人的中间导体两端温度相等,对回路总电动势没有影响。

3.连接导线。在热电偶回路中,使用与热电偶特性相同

的导线,可以延长热电偶的参比端,不影响测温的准确性。

4.中间温度。处理参考端不等于0 C时的定则,当导体A和B的延长线材料分别相同,所处温度有T.Tn .T0,其中Tn为延长导线的温度,热电偶总的热电势为E(T,Tn,T0)=E(T,Tn) + E(Tn,T0)

三.、热电偶的冷端处理与补偿

      热电偶的热电势不仅与工作端温度T有关,还与参比端T0有关,只有固定参比端温度,才会通过热电势的大小来判断热点温度的高低,若参比端温度波动较大时,就需要使用补偿导线将冷端延长到一个温度相对稳定的地方,然后处理冷端。

1.补偿导线法。热电偶补偿导线一般是由补偿导线合金丝、绝缘层、保护套和屏蔽层组成,在100℃以下的常温范围,补偿导线具有与所匹配的热电偶的热电势标称值相同的特性,用它连接热电偶可以延长热电偶的参比端。补偿导线分延长型导线和补偿型导线两种。其优点是提高线路的绕性,布线接线方便,同时可以调节小路电阻和屏蔽外界的干扰,主要是降低了线路成本。

补偿导线选接原则:同种补偿导线配同种热电偶;补偿导线的正负极按颜色接正确;补偿导线使用长度要在15米以内,以增强抗干扰性。

2.计算修正法。在生产现场应用中,热电偶的参比端延长后,周围环境温度往往不是设定的标准温度,这时测量出来的回路热电势要小于实际值,所以在计算时需要加上环境温度Tn与参考端温度TO(T0=0℃)之间温差所产生的热电势,这样才能符合热电偶的分度表的要求。由连接导体和中间温度定则,可以准确计算出被测温度T。Tn可以辐射测温仪测出或室内温度计测量周围环境温度。

3.冷端补偿器法。冷端补偿器是-一个直流不平衡电桥,在它的四个桥臂中有一个是铜电阻作为测温元件,其他三个臂由阻值恒定的锰铜电阻制。Reu在0℃下的电阻值和其他三个桥臂R1,R2, R3完全相等,使电桥处于平衡状态,当冷端T0>0℃时, 回路热电势将会减小,这是由于Reu增大,使电桥不平衡。若限流电阻R选择合适,可使被测增大值恰好等于回路热电势减小值,避免T0的变化带来的影响,这样就把冷端置于0℃,完成热电偶冷端处理和补偿功能。

4.软件修正法。采用这种方法需要将热电势信号通过补偿导线与采集卡.上的输人端子连接起来,并接人热敏电阻。在信号采集卡驱动程序的支持下,计算机每次扫描时采集热电偶电动势和热敏电阻信号,根据热敏电阻信号计算出E(Tn,0)值,再由中间温度定则计算出E(T,0)值这样就可以得到准确的温度T值。

四、工程测量校验与应用

      在高炉的热电偶测量点应用中,温度变送器所处的参比端环境温度为30℃,选用K型热电偶测温,测得参比端处的热电势为24.9mV,校验被测点实际温度,检验温度变送器工作情况。

根据连接导体和中间温度定则有:

E(T,0)=E(T,30)+E(30,0)

因为E(30,0)=1.203 mV

E(T,30)=24.90 mV

所以E(T,0)=24.9+ 1.203=26.103 mV

      反查K分度表,得知被测点实际温度是T-628.3 ℃,若仪表显示的温度与计算后的数值相差较大,需要进一步检查现场仪表。

五、结语

      热电偶测量的是点温度,精度较高,工业中它与温度变送器连接,转化为标准信号进行远传,实现远程自动控制,从而广泛应用于工控自动化中,在过程检测和控制中起着重要作用。


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