PDF《热电偶温度计算器》

1821 年,德国-爱沙尼亚物理学家 Thomas Seebeck 发现当两种不同的金属相接时,会发生如图 1(a)所示的情况,并且加热其中一个结时,整个回路中将出现连续的电流.当断开回路并测量它们 之间的电压(请见图 1(b))时,得到的电压与两个结之间的温差直接相关.在该现象中,由于两 种金属导体中的其中一个结进行了加热,因而产生了电压,该现象被称为热电效应或塞贝克 (Seebeck)效应.被加热的结称为热结或测量结.另一个结被称为冷结或参考结,产生的电压被 称为热电势. 图1(a). 热电偶 ― 塞贝克(Seebeck)效应 图1(b). 热电偶 ― 塞贝克(Seebeck)效应 热电势取决于以下各项: ? 结处使用的金属 ? 热结与冷结之间的温差 ? 冷结温度的绝对值.即:100 °C 的热结温度与

0 °C 的冷结温度所产生的热电势将与

800 °C 的热结温度与

700 °C 的冷结温度所产生的热电势不一样,尽管两者的温差都是

100 °C. 根据所使用金属的类型,热电偶可以分为多个类型:热电偶的类型根据其工作温度范围和灵敏度 (每个温度的单位变化的电压变化,V/°C)而不同.IEC EN 60584-2 和ASTM E230 两大主要标 准控制热电偶容差.器件标识符容差指定了由于将某个热电偶替换为同一类型的其他热电偶而产 生的最大误差. 表1列出了一些常见的热电偶类型及其金属组合、温度范围、灵敏度和符合 ASTM 标准的容差. 如表

1 所示,ASTM 建立了两种热电偶容差标准:标准和特殊.未定义整个温度范围的容差标 准. 美国国家标准与技术研究院(NIST)提供了所有热电偶类型在

0 °C 冷结下的热电势与热结温度数 据.由于

0 °C 温度下的热电势为 0,所以选择

0 °C 的冷结温度.冰浴通常可以提供

0 °C 的参考 热电偶温度计算器 PSoC? CreatorTM 组件数据手册 页6/11 文档编号:001-87202 版本*A 温度.NIST 提供了表格以及多项式系数用于将热电势转换为温度以及将温度转换为热电势.图2显示的是一个 K 型热电偶,其中一个结被加热,另一个结维持在

0 °C 状态;

图3下一页中的图

3 显示的是 K 型热电偶在

0 °C 冷结时热电势与热结温度间的图形.K 型热电偶 的灵敏度可以在 NIST 提供的表格中找到,温度 >

-100 °C 时,它的灵敏度相当于

40 μV/°C. 图2. 冷结处于

0 °C 的K型热电偶 图3. K 型热电偶的热电势与温度(冷结处于

0 °C) 冷结补偿 通过使用 ADC 测量热电势,我们可以轻松地确定温度.但是存在一个难点;

冷结需要维持在

0 °C 才可使用 NIST 表格.提供冰浴不切实际,并且在大多数情况下,冷结处于室温环境中.如果冷结 温度不等于

0 °C,冷结也会产生热电势 V2,如图

4 所示,这会降低测得的电压,V.为了正确地 测量热结温度,冷结电压 V2 需要添加到最终电压 V 中. PSoC? CreatorTM 组件数据手册 热电偶温度计算器 文档编号:001-87202 版本*A 页7/11 图4. 冷结不处于

0 °C 如果我们查到了冷结温度,可根据 NIST 表格计算电压 V2.因此,在冷结不处于

0 °C 的情况下, 需要测量冷结温度,并需要将与该温度对应的热电势添加到热电偶电压中.该程序被称为冷结补 偿. 可使用热敏电阻、RTD、二极管或基于 IC 的传感器进行冷结温度测量.(记住这些冷结温度测量 传感器之一不能构成热电偶, 因为它们不能用于测量很高的温度,或不能用于腐蚀性环境或恶劣 的环境.) 测量热电势 可以使用 ADC 测量热电势,将ADC 的输入引线连接至热电偶,如图