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如何理解热电偶型温度传感器的工作原理?

热电偶型温度传感器具有量程大、成本低、响应速度快、耐久性好等特点,被广泛的应用于工业现场的温度测量。R型热电偶可以测量1700多度(℃)的高温,在高温测量场合有广泛的应用。今天这篇文章,我们来谈谈热电偶的工作原理。

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什么是热电偶呢?

热电偶(thermocouple)是把两种不同材料的金属的一端连接起来,利用热电效应来测量温度的传感器。如下图:

thermocouple.png

热电效应是热电偶的物理基础,什么是热电效应呢?

我们知道,当在一段金属丝的两端施加电压时,金属丝会有电流流过并发热。这种现象称为电流的热效应。

1821年,德国科学家托马斯·约翰·赛贝克(seebeck)发现了电流热效应的逆效应:即当给一段金属丝的两端施加不同的温度时,金属丝的两端会产生电动势,闭合回路后金属丝中会有电流流过。这种现象被称为热电效应,也称为塞贝克效应。

下面是热电效应的图解:

temperature.png

图中黑线表示金属丝,T1、T2和T3表示金属丝上不同的温度差,T3大于T1。

设T3和T1的温度差为ΔT,则金属丝两端的电压:

V31=S(T)xΔT;其中S(T)称为塞贝克系数。

既然一条金属丝两端在不同的温度下可以产生电压差,那么热电偶为什么要使用两种金属呢?

答案是:如果电压表的探针使用的是与被测金属丝相同的金属,理论上电压表将测量不到任何电压。因为这相当于把金属丝延长了,而延长后的金属丝两端没有温度差,因此就不会产生电压差。

不同金属的塞贝克系数是不同的,测量电压等于两种材料的塞贝克系数函数之差的积分,这就是热电偶使用两种不同金属的原因。

根据两种金属的种类及含量的不同,热电偶可分为不同的类型。

GB/T 16839将热电偶分成如下几个类别:

thermocouple_class.png

热电偶中两种金属的连接端称为测量端,也称为热端;与之相对应的一端称为冷端。冷端作为参考端,早期使用冰水温度(0℃)作为参考。通过测量的电压的不同,以冷端为参考,来计算热端的温度。

随着技术的发展,热电偶的冷端并不必须为0℃。目前市场一些PLC的热电偶模块,比如S7-1200的SM1231 Thermocouple,可以通过冷端补偿技术,根据测量到的电压值来计算出测量端的温度。示意图如下:

thermocouple _module.png

注:冷端作为参考端,温度应基本保持不变。

好了,关于热电偶的工作原理就先介绍到这里。欢迎扫描下方的二维码关注我们的微信公众号。

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如何理解热电偶型温度传感器的工作原理

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