詳細(xì)介紹
補(bǔ)償導(dǎo)線連接熱電偶的要點(diǎn): 兩種不同材料的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)組成一個(gè)閉合回路,當(dāng)兩接點(diǎn)溫度t和t0不同時(shí),則在該回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng),該電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。這兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱為熱電偶,導(dǎo)體A、B稱為熱電極。兩個(gè)接點(diǎn),一個(gè)稱熱端,又稱測(cè)量端或工作端,測(cè)溫時(shí)將它置于被測(cè)介質(zhì)中;另一個(gè)稱冷端,又稱參比端或自由端,它通過(guò)導(dǎo)線與顯示儀表相連。
接觸電勢(shì)是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動(dòng)勢(shì)。兩種導(dǎo)體接觸時(shí),自由電子由密度大的導(dǎo)體向密度小的導(dǎo)體擴(kuò)散,在接觸處失去電子一側(cè)帶正電,得到電子一側(cè)帶負(fù)電,擴(kuò)散達(dá)到動(dòng)平衡時(shí),在接觸面的兩側(cè)就形成穩(wěn)定的接觸電勢(shì)。接觸電勢(shì)的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度。兩接點(diǎn)的接觸電勢(shì)eAB(t)和eAB(t0)可表示為:
eAB(t)=(Kt/e)ln(NAt/NBt)
eAB(t0)=(Kt0/e)ln(NAt0/NBt0)
式中:K——波爾茲曼常數(shù),等于1.38E-6格爾/℃;
e——單位電荷,等于4.802E-10經(jīng)典單位;
NAt、NBt和NAt0、NBt0——溫度分別為t和t0時(shí),A、B兩種材料的電子密度。
溫差電勢(shì)是同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動(dòng)勢(shì)。同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時(shí),高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大,因而從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多,結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電,低溫端因獲得多余的電子而帶負(fù)電,因此,在導(dǎo)體兩端便形成接觸電勢(shì),其大小可由A導(dǎo)體和B導(dǎo)體的電子密度的定積分求出。
熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢(shì)為
eAB(t, t0)=eAB(t)+eB(t,t0)-eAB(t0)-eA(t,t0)
在總熱電勢(shì)中,溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小很多,可忽略不計(jì),則熱電偶的熱電勢(shì)可表示為:
eAB(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)
對(duì)于已選定的熱電偶,當(dāng)參比端溫度t0恒定時(shí),eAB(t0)=c為常數(shù),則總的熱電動(dòng)勢(shì)就只與溫度t成單值函數(shù)關(guān)系,即eAB(t,t0)=eAB(t)-c=f(t),這一關(guān)系式在實(shí)際測(cè)量中是很有用的,即只要測(cè)出eAB(t, t0)的大小,就能得到被測(cè)溫度t,這就是利用熱電偶測(cè)溫的原理。
由熱電偶的測(cè)溫原理可知,當(dāng)熱電偶材料選定以后,熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)與測(cè)量端、參比端的熱電勢(shì)有關(guān),只有參比端溫度t0為零或恒定不變,熱電勢(shì)才是熱端溫度的單值函數(shù)。熱電偶的分度表也是以參比端溫度0℃作為基準(zhǔn)進(jìn)行分度的,而在實(shí)際使用過(guò)程中,冷端溫度往往不為0℃,所以必須對(duì)參比端溫度進(jìn)行補(bǔ)償;如果不補(bǔ)償?shù)脑?,則熱電偶的參比端溫度t0與儀表接線端溫度t1間的溫差t0-t1則越大,測(cè)量誤差也就越大。
實(shí)際應(yīng)用時(shí),由于熱電偶參比端的接線盒通常暴露在大氣中,溫度變化較大,如不采取措施,接線盒內(nèi)溫度既不可能為零,也不可能保持某個(gè)溫度恒定不變,由此引起測(cè)量誤差。由于與熱電偶相連的二次儀表(如顯示器、記錄儀)、I/O 插卡等均帶環(huán)境溫度補(bǔ)償,可對(duì)這些裝置與熱電偶的接線點(diǎn)(即儀表接線端)溫度t1進(jìn)行補(bǔ)償。由此可見,關(guān)鍵是如何對(duì)熱電偶的參比端溫度t0進(jìn)行補(bǔ)償。目前有多種參比端補(bǔ)償方法,如恒溫法、補(bǔ)償電橋法、補(bǔ)償熱電偶法、補(bǔ)償導(dǎo)線法等,但zui常用的就是補(bǔ)償導(dǎo)線法。
補(bǔ)償導(dǎo)線除了可減少測(cè)量誤差外,還有以下優(yōu)點(diǎn):可改善熱電偶測(cè)溫線路的物理性能和機(jī)械性能,如采用多股線芯或小直徑補(bǔ)償導(dǎo)線可提高線路的柔韌性,使連接方便,也易于屏蔽外界干擾;可降低測(cè)量線路成本,尤其是R、S分度號(hào)的貴金屬熱電偶,其效果更是顯著。
但在常用熱電偶中,分度號(hào)為B的雙鉑銠(鉑銠30-鉑銠6)熱電偶是一個(gè)例外,它沒有的補(bǔ)償導(dǎo)線,或者換一句話說(shuō),在實(shí)際應(yīng)用中,它一般沒有必要使用補(bǔ)償導(dǎo)線;但參比端溫度不等超過(guò)120℃。雙鉑銠熱電偶常用于1300~1600 ℃溫度段的測(cè)溫其低溫段的熱電勢(shì)出奇地低,如100℃時(shí)的熱電勢(shì)僅 0.033mV, 200℃時(shí)的熱電勢(shì)為0.178mV,與整個(gè)測(cè)溫范圍內(nèi)(0~1800 ℃)每100℃的平均熱電勢(shì)為0.700mV比較相差懸殊,所以即使不補(bǔ)償,造成的誤差也很小。例如當(dāng)熱端溫度為1300℃和1600℃時(shí),如參比端溫度t0=100℃時(shí),造成的誤差為±3.0℃,如t1=120℃ 時(shí),造成的誤差為±5.0℃,均達(dá)到使用普通級(jí)補(bǔ)償導(dǎo)線±5℃的要求。但值得注意的是,如t0=200℃時(shí),則可能造成±16.3℃的誤差,因此對(duì)雙鉑銠熱電偶來(lái)說(shuō),雖然在通常情況下可不使用補(bǔ)償導(dǎo)線,但限制條件是參比端溫度t1≤120℃,否則將造成較大的誤差。
同樣的例外,還有兩種不常用的熱電偶,它們是鎳鈷-鎳鋁熱電偶200℃以下熱電勢(shì)幾乎為零,可不用補(bǔ)償導(dǎo)線,和鎳鐵-鎳銅熱電偶在50℃以下的熱電勢(shì)微乎其微,在這個(gè)溫度范圍內(nèi)也不用補(bǔ)償導(dǎo)線。
R、S分度號(hào)的鉑銠13-鉑和鉑銠10-鉑熱電偶,由于在低溫段100℃時(shí)兩者基本*(R、S 分度號(hào)的熱電勢(shì)分別為0.647mV和0.646mV),200℃時(shí)稍有差別(R、S 分度號(hào)的熱電勢(shì)分別為 1.467 mV和1.441mV),所以目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上R、S分度號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線是通用的。如將市場(chǎng)上通常采購(gòu)得到的S分度號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線用于R分度號(hào)的熱電偶,在100℃以下*,即使到了耐熱用補(bǔ)償導(dǎo)線的極限溫度200℃,當(dāng)熱電偶的熱端溫度分別為600℃、1000℃、1300℃時(shí),所引起的誤差僅為2.5℃、2.2℃、2.0℃。