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热电偶的理论与温度的测量方式与步骤

来源:发表时间:2019-07-23


      为什么咱们使用热电偶而不是其他温度测量设备?而且,热电偶如何工作?
热电偶理论:
      让咱们先解决最后一个问题。热电偶是“两种不同的热电偶,当测量和参比接点处于不同的温度时,它们会连接成产生热电动势。”该定义中有三个关键概念:“热电偶”,“热电动势”和“结点”。最关键的概念是“热电动势”。在由两种不同金属(热电偶)组成的闭合回路中,如果一个结的温度高于另一个结的温度,则电流将流动。这种现象称为“塞贝克效应”。“电路”包括热电偶,所有不同的金属都表现出这种效果。


      请注意,每根电线都有两端。当连接到电路中时,每根导线都有两个接头,每个接头位于导线的两端。在接头涉及不同金属的情况下,导线变成热电元件。当两个结都涉及不同的金属时,系统变成热电偶,其中一个结是“测量结”,另一个结是“参考结”。
      每个热电偶结都会产生与温度成比例的电压(热电动势)。当两个热电偶结点处于相同温度时,热电动势相等,并且电路中没有电流。当一个结的温度高于或低于另一个结时,电流表将指示一个电流,该电流与两个结之间的温差和结的面积成比例。
      图2是图1的等效电路。每个结可以通过串联的电池和电阻器重新呈现。在图2中,热电动势的Eland E2是不同金属组合的函数,与结的温度成正比。电阻R1和R2与各个结的面积成比例。
      在图2中,I与Junction 1和Junction 2之间的温差成正比。但是我也与R1和R2的值成比例。R1和R2的值与结的面积成比例,这既不可预测也不可重复。因此,虽然I与温度差成比例,但除非确定并考虑了R1和R2的值,否则它不能用于确定温差。


      咱们可以用电压表替换电流表来消除R1和R2的影响。图3中电压表测量两个结之间的电压差E+E1-E2。如果咱们知道参考结的温度,那么咱们可以通过在表格中查找与参考结温相对应的电压来确定电压E2。现在,咱们可以求解方程E1=E+E2。咱们现在回到表格并查看E1及其温度,即测量结温。


      如果参考结温度为0°C(在冰浴中),那么,由于表中的电压参考0°C,E2=0,E=E1。现在咱们可以消除求和步骤,直接从表中读取温度。
电压表连接:
      现在的问题是:咱们如何处理铁线与电表铜线的连接(连接点)?回想两个陈述:首先,所有不同的金属都表现出塞贝克效应。因此,从铁线到两根铜线的连接构成另一个热电偶。其次,当两个结温度相同时,热电动势相等,电路中没有电流。因此,咱们将两个铁/铜结点放在等温块上,使一个结的温度与另一个结的温度相同。因此,两个额外的结点会抵消,并且不会对测量做出贡献。
      咱们还需要确定参比接点的温度。有几种方法可以做到这一点:
      首先,咱们可以将结点强制到特定温度。最明显的是冰浴。但这很麻烦。
      其次,咱们可以将参考结放到等温块上,并通过其他方法测量块的温度。这通常用热电阻完成。
      第三,咱们可以使用电池和热电阻电路产生与参考热电偶在0°C时相同的电压。这就是“电子冰点”。
      在每种情况下,并且可能在一些中间步骤之后,结果是测量结的电压(与温度成比例)。下一步是将电压转换为温度。
电压、温度的转换:
      首先,咱们可以简单地查找表中的电压,并读取相应的温度。这可以手动或使用电子存储器完成。
      其次,咱们可以从电压和温度之间的关系式计算温度。
      最后,咱们可以假设电压与温度关系是线性的,测量电压,采用比例因子,并读出温度。
      幸运的是,大多数现代热电偶测量设备都能解决所有这些参数问题,因此咱们无需关心仪表接点、等温块、参考接点、参比接点温度、电压与温度关系或非线性。咱们只需要将热电偶或探头应用于物体并读取温度。
热电偶类型:
      有许多不同的热电偶类型,更常见的类型通过字母标记和电线,连接器和等温接线块的颜色编码进行标准化。认证机构对热电偶进行了标准化,因为它价格低廉,因此很受欢迎且易于获得,并且具有合适的温度范围。
      尽管有这种标准化,但仍会出现混乱。一杯冰水不会显示出热电偶类型的混淆,因为按照惯例,0°C对应于所有热电偶类型的0V。相反,一杯开水确认系统是否均匀和校准。
热电偶与其他温度计:
      为什么咱们使用热电偶而不是其他温度测量设备?当然其中一个原因是热电偶已经存在了很长时间并且在性能上有很好的表征。通过标准化一个特定系统,热电偶,消除了温度测量中的一个变量。
      通常用于安全评估的热电偶与被测部件相比具有相对低的热质量。这是必要的,因为热电偶总是从被测物体带走热量,并将温度降低一些量。为了最大限度地减少这种误差,咱们使用了可用于特定测量的最小热电偶。例如,CSA规定了30号带焊接接头的WG热电偶线。
热电偶附件:
      热电偶与待测部件的连接对于精确的温度测量也至关重要。热电偶接头必须与平底锅或被测材料直接接触。这意味着,如果使用环氧水泥来连接热电偶,热电偶和锅之间必须没有水泥。否则,水泥会有温度梯度。热电偶将测量其在环氧树脂内的位置处的温度,该温度必然小于被测量的锅的温度。在一些情况下,环氧树脂或其他附接装置可以充当锅的热绝缘体,使得由热电偶测量的温度实际上高于没有环氧树脂或其他附接装置的温度。
      一般规则是:使用最少量的材料将热电偶连接到锅上。
危害:
      由于测量电子设备内的温度,预防,控制或限制的危险是什么?这根本不是直观明显的,也不是从对各种认证机构标准的研究中显而易见的。温度测量的主要目的是确定所有与安全相关的绝缘材料在其温度额定值范围内使用。当这一点完成后,咱们可以确保绝缘不会受到施加在其上的温度的过度压力,因此,它将被“保留”。一个基本的假设是,如果绝缘在其额定温度范围内使用,它不可能失败。
      防止的危险是特定绝缘失效可能导致的危险。通常,绝缘失效会导致触电条件。电子设备中的绝缘故障也可能导致电气引起的火灾。
测量:
      现在咱们可以开始决定应该测量哪些平底锅。显然,咱们测量所有与安全相关的绝缘材料。
      但是,在变压器中,咱们测量的是导线温度,而不是绝缘温度。为什么?导线温度加热绝缘层,由于导线与绝缘层紧密接触,导线温度是最差的绝缘温度。并且,大多数电气绝缘体也是热绝缘体,因此即使不是不可能,也难以测量绝缘体上的最热点。
      在某些标准中,咱们需要测量半导体器件和电阻器。为什么咱们测量这些组件,因为它们不是安全绝缘材料?咱们这样做是因为电线绝缘可能会与设备接触并被烧毁。咱们还测量聚合物材料和电容器。聚合物材料用作外壳和结构。
      如果温度过高,电解电容会发生爆炸,因此咱们测量它们的温度。然而,今天的大多数调制解调器电容器都配有减压机构,但要求依然存在。X和Y电容器基本上是跨线和线对地绝缘,如果要保持绝缘,必须在其温度额定值内使用。
温度上升:
      为什么咱们测量温度上升而不是绝对温度?每种材料,无论是绝缘材料,聚合物材料还是电解电容器,都无法在某些绝对温度下发挥其功能。如果咱们的目标是通过在其额定值内操作绝缘材料,聚合物材料,电解电容器等来避免故障,那么咱们应该关注绝对温度。
      绝对温度的问题是,如果咱们应该在20°C环境中测量温度,而其他人应该在25°C环境中测量温度,那么咱们的测量结果可能表现出可接受的性能,而他们的测量结果可能表现出不可接受的性能。但是,如果咱们减去环境温度,咱们两者将得到几乎相同的数字。
      与绝缘等的额定温度相比,标准中规定的温升限值是保守的。并且,它们假设环境温度将在20到25°C之间。例如,允许典型的105级绝缘因此,如果环境温度为25°C,则绝对温度为90°C,低于105°C的额定温度。
      因此,温度升高测量和限制用于在不严格控制环境时标准化各方之间的测量。

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