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什么是熱電偶及其工作原理？

熱電偶溫度傳感器是一對(duì)不同的金屬，它們?cè)谝欢诉B接，在另一端互相電隔離。它產(chǎn)生一個(gè)小的電信號(hào)，可以用來(lái)監(jiān)測(cè)溫度。人們普遍認(rèn)為，電動(dòng)勢(shì)(電場(chǎng)和磁場(chǎng))是在兩種金屬交界處熱電偶的頂端或熱端產(chǎn)生的。這種觀點(diǎn)是完全錯(cuò)誤的。EFM 并不局限于頂端，而是分散在每條腿的長(zhǎng)度。在熱電偶中產(chǎn)生的總電動(dòng)勢(shì)是兩腿電動(dòng)勢(shì)之間的區(qū)別。這是由于塞貝克系數(shù)的金屬或合金使用。(塞貝克效應(yīng)是指兩種不同的導(dǎo)電體或半導(dǎo)體之間的溫差產(chǎn)生兩種物質(zhì)之間的電壓差。這可以應(yīng)用于熱電轉(zhuǎn)換能量轉(zhuǎn)換。塞貝克效應(yīng)是在1821年由托馬斯 · 塞貝克發(fā)現(xiàn)的。這個(gè)系數(shù)用來(lái)測(cè)量電子如何與環(huán)境，金屬晶格耦合，在更大的尺度上，與晶粒結(jié)構(gòu)耦合。

 

它對(duì)金屬的化學(xué)和物理特性的變化很敏感，如果金屬受到污染、氧化、過(guò)濾或熱處理，它就會(huì)發(fā)生變化。由于所有這些過(guò)程都依賴于溫度和熱電偶，因?yàn)樗氖褂?，?jīng)歷不均勻的溫度場(chǎng)，塞貝克系數(shù)將有不均勻的變化，因此熱電偶輸出。這樣導(dǎo)線就獲得了熱電印記或“簽名”。環(huán)境的任何變化都會(huì)影響熱電偶的輸出。一個(gè)典型的變化是浸沒(méi)深度。由于減少浸入深度而導(dǎo)致熱電偶輸出的變化可能是相當(dāng)大的。例如，一個(gè)24 AWG 鎳基熱電偶在16小時(shí)內(nèi)只漂移約1 °c，而同時(shí)監(jiān)測(cè)1000 °c 的溫度，但是，如果其浸入深度減小，輸出可能進(jìn)一步改變15 °c。因此，建議將熱電偶安裝在固定的位置。

 

什么是熱電偶結(jié)？熱電偶溫度傳感器有兩個(gè)結(jié)，一個(gè)是熱結(jié)，其中不同的金屬連接在一起，另一個(gè)是冷結(jié)。這個(gè)冷接頭參照零攝氏度。熱電偶溫度傳感器的輸出取決于所用金屬的類型。有國(guó)際表，這是用來(lái)確定不同類型的熱電偶溫度傳感器在不同溫度下的電動(dòng)勢(shì)值。發(fā)生的一個(gè)問(wèn)題是，冷端通常是在零度以外的溫度。假設(shè)我們希望用伏特計(jì)測(cè)量毫伏輸出，用玻璃溫度計(jì)測(cè)量冷端溫度，從而確定一個(gè)過(guò)程的溫度。如果我們有一個(gè)9.340 mV 的信號(hào)輸出和27 °c 的冷端溫度，9.340 mV 的值不應(yīng)該直接輸入?yún)⒖急恚驗(yàn)樗遣贿m當(dāng)?shù)?。如果我們這樣做，它將讀取300攝氏度，如果加上冷端溫度，這是一個(gè)常見(jiàn)的概念，那么溫度將達(dá)到327攝氏度?，F(xiàn)在讓我們把這個(gè)結(jié)果與正確的結(jié)果進(jìn)行比較。測(cè)量值為9.340 mV，為300 o c 到27 o c 的溫度梯度。缺少的是從27攝氏度到0攝氏度的梯度，即0.712 mV。因此，正確的 mV 輸出是9.340 + 0.712，等于10.052 mV。當(dāng)我們查看表格時(shí)，我們讀到的溫度是320攝氏度——相差7攝氏度。

 

在熱電偶的制造過(guò)程中，必須注意確保不存在污染物，在 MIMS 的情況下，在熱電偶密封之前不存在水分。為了確保在焊接過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生污染物，使用了 TIG 焊接技術(shù)。通過(guò)使用氬氣保護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)氧焊接，確保不會(huì)發(fā)生結(jié)垢和氧化。如果正在制造 MIMS 熱電偶，用與外殼相同的材料焊接熱電偶也是很好的做法。通過(guò)將熱電偶放入烘箱或用氧氣炬加熱熱電偶以確保氧化鎂絕緣層中的任何水分已被排除，可以消除水分。這些技術(shù)用于熱接頭。此外，冷端亦須加以保護(hù)，以防污染物進(jìn)入，即冷端應(yīng)放置在合適的圍封內(nèi)，以防止外來(lái)氣體、顆粒和水分進(jìn)入。

 

基本上有三種類型的熱接頭: •暴露•接地•不接地

 

熱接點(diǎn)的選擇將取決于熱電偶的響應(yīng)、污染危險(xiǎn)、物理約束和電接地的考慮。

 

基本金屬熱電偶基本金屬熱電偶是由基本金屬元素合金(鐵，銅和鎳)。符合 ANSI 標(biāo)準(zhǔn)的基本金屬熱電偶有 e，j，k，n & t，通常用于1200 °c 以下的溫度。

 

稀有金屬熱電偶這些熱電偶通常被稱為“貴金屬”熱電偶，通常用于由鉑和/或鉑合金制成的導(dǎo)體的熱電偶。它們主要由 b 型、 r & s 型組成，通常用于1200 °c 以上的高溫應(yīng)用。

 

礦物絕緣熱電偶在護(hù)套材料和整體護(hù)套/元件組合方面的發(fā)展允許使用 k & n 熱電偶以獲得更高的溫度。礦物絕緣熱電偶可歸類為現(xiàn)代發(fā)展。礦物絕緣金屬護(hù)套(MIMS)熱電偶于50年前問(wèn)世，為測(cè)溫行業(yè)帶來(lái)了革命性的變化。它提供了一個(gè)緊湊的設(shè)計(jì)，其中元素是包裝在一個(gè)保護(hù)性的環(huán)境。

 

熱電偶溫度傳感器基本原理

 

熱電偶溫度傳感器使用年限

 

有用的熱電偶?jí)勖且粋€(gè)非常困難的預(yù)測(cè)，即使大多數(shù)細(xì)節(jié)的應(yīng)用是已知的。不幸的是，這樣的信息往往很難確定。對(duì)于任何應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，zui好的測(cè)試是安裝單元、使用和評(píng)估被認(rèn)為可能成功的設(shè)計(jì)的在用性能。熱電偶類型說(shuō)明中列出的建議和非建議是在首次選擇要安裝到過(guò)程中的組裝樣式時(shí)開(kāi)始的好地方。

 

熱電偶溫度傳感器偏移和漂移

 

穩(wěn)定性

 

所有的熱電偶都受到校準(zhǔn)漂移與使用，這只是問(wèn)題的多少，多快可能會(huì)發(fā)生。熱電偶的性能嚴(yán)重依賴于整個(gè)電路長(zhǎng)度上物理和化學(xué)性質(zhì)的絕對(duì)均勻性。當(dāng)生產(chǎn)熱電偶材料時(shí)，要采取仔細(xì)的步驟以確保達(dá)到這種均勻性(或均勻性)。在使用過(guò)程中，電路的不同部分會(huì)經(jīng)歷不同的熱、化學(xué)暴露等條件，因此，這些部分的物理結(jié)構(gòu)和組成會(huì)從原始熱電偶線發(fā)生變化。

 

由于給定溫差所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)對(duì)導(dǎo)線的化學(xué)和冶金性能的變化很敏感，所以在相同的條件下，使用過(guò)的探頭所產(chǎn)生的總電動(dòng)勢(shì)可能不同于其他相同的新探頭。在可觀察的時(shí)間內(nèi)，這些變化通常很小(通常小到可以忽略不計(jì))。但在不利的條件下，有可能實(shí)現(xiàn)大的漂移速度迅速。

 

為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期可靠的熱電偶?jí)勖ǔ５牟呗允窃趜ui高溫度下舒適地操作設(shè)備，并為其提供盡可能干凈的工作環(huán)境。外殼，例如護(hù)套、保護(hù)管和溫度計(jì)套管，是控制熱電偶本身周圍環(huán)境的常用方法。

 

會(huì)出什么問(wèn)題

 

保護(hù)管，護(hù)套，甚至溫度計(jì)套管，都可能因?yàn)楦g或機(jī)械損壞而失效。加工過(guò)程可能會(huì)超過(guò)溫度，使熱電偶暴露在高于預(yù)期溫度的環(huán)境中。如果控制一個(gè)過(guò)程的傳感器的輸出偏低，該過(guò)程響應(yīng)其控制器，結(jié)果可能被迫達(dá)到高于預(yù)期的溫度。賤金屬組件容易受到少數(shù)化學(xué)劑的攻擊。它們也可以被不利的操作條件所改變。在供貨的情況下，質(zhì)量好的貴金屬熱電偶絲雜質(zhì)含量很低。因此，它很容易受到能夠影響其熱電性能的污染。鉑對(duì)自由硅的存在特別敏感，它可以與自由硅結(jié)合形成共晶合金，在正常使用溫度或低于正常使用溫度時(shí)熔化。高純度絕緣子和貴金屬組件的保護(hù)管，以及在操作過(guò)程中注意清潔，對(duì)于防止這種情況的發(fā)生至關(guān)重要。

 

人為錯(cuò)誤也可能是一個(gè)影響因素?？刂瓶赡茉O(shè)置不當(dāng)，連接可能不正確，以及不適當(dāng)?shù)男袆?dòng)響應(yīng)的操作條件可能是錯(cuò)誤的。儀器儀表的補(bǔ)償校正是對(duì)付這類錯(cuò)誤的常用手段。

 

熱電偶溫度傳感器故障排除

 

方法

 

要評(píng)估問(wèn)題，請(qǐng)檢查系統(tǒng)性能是否符合條件: 控件中的更改是否產(chǎn)生邏輯結(jié)果？產(chǎn)品怎么樣？它的狀況是否符合儀器的說(shuō)明？

 

如何測(cè)試用過(guò)的熱電偶溫度傳感器

 

首先，將可疑的熱電偶從服務(wù)中移出并在另一個(gè)地方進(jìn)行“測(cè)試”并不總是實(shí)際可行的。一旦設(shè)備被使用，就意味著它可能不再是同質(zhì)的。將一個(gè)不均勻的熱電偶置于一組不同的溫度梯度之下，即使只是略有不同，也會(huì)導(dǎo)致不同的輸出和讀數(shù)。重新校準(zhǔn)一個(gè)使用過(guò)的熱電偶肯定會(huì)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字，但這個(gè)數(shù)字在熱電偶的使用場(chǎng)所可能是沒(méi)有意義的。

 

評(píng)估使用過(guò)的熱電偶zui好的方法是通過(guò)放置一個(gè)已知輸出的新熱電偶來(lái)“探測(cè)”其位置，并在操作過(guò)程中放置可疑的熱電偶，然后比較讀數(shù)。如果同時(shí)安裝兩個(gè)傳感器是不實(shí)際的。取出可疑探頭，換上另一個(gè)已知性能良好的探頭。然后，如果好的探針和被移除的探針?lè)旁谕粋€(gè)地方，而且在交換過(guò)程中過(guò)程沒(méi)有改變，就可以比較兩個(gè)探針的讀數(shù)。

 

注意，沒(méi)有必要為這些測(cè)試保留和使用無(wú)限量的新探測(cè)器。一些合適的替換設(shè)備可以保持可用，選擇一個(gè)進(jìn)行測(cè)試使用。在正常情況下，熱電偶的漂移，或降解，是一個(gè)漸進(jìn)和非常緩慢的過(guò)程。因此，一個(gè)單一的替換探針可以多次使用來(lái)探測(cè)一個(gè)過(guò)程，并被認(rèn)為是可靠的多次重復(fù)測(cè)試。而且，當(dāng)一個(gè)漂移的探測(cè)器被發(fā)現(xiàn)時(shí)，測(cè)試探測(cè)器可以簡(jiǎn)單地作為一個(gè)工作傳感器留在原地，而下一個(gè)替代品則成為測(cè)試設(shè)備。

 

系統(tǒng)測(cè)試

 

一個(gè)有用的儀器故障排除熱電偶系統(tǒng)是一個(gè)便攜式溫度指示器。許多這樣的設(shè)備可以使用兩種或更多不同的熱電偶類型，還有一些提供輸出功能，可以產(chǎn)生電輸出來(lái)模擬在任何選擇的溫度下運(yùn)行的熱電偶。

 

在使用中，儀器通常連接到電路的導(dǎo)線上，在某個(gè)方便的接入點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，例如在連接頭上。應(yīng)該注意確保保持正確的極性。在澳大利亞，我們使用 ANSI 顏色代碼，其中負(fù)片總是紅色。在那里，一個(gè)操作傳感器的輸出可以被監(jiān)視和評(píng)估?；蛘?，利用儀器的“輸出”功能，一個(gè)模擬熱電偶信號(hào)可能被發(fā)送回電路的永久指示器或控制器，以驗(yàn)證其余電路的正常運(yùn)行。當(dāng)將信號(hào)驅(qū)動(dòng)回儀器時(shí)，通常需要斷開(kāi)電路的一側(cè)，以避免熱電偶本身的低電阻“加載”便攜式測(cè)試儀。

 

熱電偶電路中的延長(zhǎng)接線部分也可以用便攜式測(cè)試儀檢查是否連接正確。正在測(cè)試的部分應(yīng)該與回路的其余部分電氣隔離，并且一對(duì)延長(zhǎng)線的一端應(yīng)該短路在一起。如果測(cè)試儀連接到短路對(duì)的另一端，測(cè)試儀應(yīng)該顯示短路對(duì)的近似溫度。注意，如果擴(kuò)展對(duì)的兩端碰巧處于相同的溫度，那么可能需要稍微加熱一下被縮短的那端，并驗(yàn)證測(cè)試人員是否正確地看到了溫度的變化。在這個(gè)測(cè)試中正在檢查不正確的反向連接的可能性。

 

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