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热电偶的原理及特性介绍

时间:2020-09-29 14:00 点击:

热电偶测温原理
当一种导电物质处于温度时,它的电子或空穴将遵循来自移动,往低温区,高温区,的温度梯度,由此产生的电荷积累现象称为热电效应,热电效应产生的电动势称为热电动力。
如果把两种电子密度相同的导体连接起来形成一个闭合回路,如果两端温度不同,回路中就会产生热电动势。
第三导体连接到热电偶回路,只要导体两端的温度相同,在整个热电偶回路中产生的总热电势是恒定的。这种现象称为中间导体效应,可以通过简单的推导得到。
因此,我们得到如下图所示的实际热电偶原型。两种不同的金属连接形成一个测温点(通常称为“热端”),另一端分别用铜线连接,引出信号调理电路。热电偶金属和铜线之间的两个接合点温度相同,是参考点(通常称为“冷端”)。
参考点产生的电压取决于测量点和参考点的温度。从上面提到的热电偶测量原理可以知道,在使用过程中,只有知道参考点的温度,才能获得测量点的准确温度读数。
 
热电偶的特性
1.优势
温度范围宽,热电偶测温电路采用不同类型的热电偶,测量范围可达-200至2500,适用于大多数实际温度范围。
热电偶坚固耐用,是耐用的设备,具有良好的抗振动和抗冲击能力,适用于危险和恶劣的环境。
快速响应,因为热电偶尺寸小,热容量小,所以热电偶对温度响应快,尤其是当热点暴露时。热电偶可以在数百毫秒内响应温度变化。
不存在自发热,因为热电偶不需要激励电源,不会自发热,也不会因自发热造成测量误差。
2.不足之处
信号调理电路复杂,需要进行大量的信号调理,才能将热电偶的直接输出电压转换成可用的温度读数。如果数量处理不当,会引入误差,导致测量精度下降。
准确率低。热电偶的测量精度除了由构成热电偶的金属的特性所引起的热电偶固有的不确定性外,还取决于冷端温度的测量精度,所以热电偶的测量精度一般为1至2。
抗噪声性能差。由于热电偶的直接输出电压信号幅度较小,当测量环境周围存在杂散电场或磁场时,可能会引起问题。根据使用环境的要求,可能需要采取适当的保护措施。
很容易腐蚀,因为热电偶是两种不同的金属制成,在某些工况下长期使用可能会造成腐蚀,所以可能需要根据不同的使用条件采取保护措施。
3.电路设计中的难点
电压信号太弱。最常见的热电偶类型有J型、K型和T型,其灵敏度在室温下有所划分。这种微弱的信号需要用更高的增益放大(一般是100倍左右)后才能送到ADC。同时,由于信号如此微弱,为了避免被噪声淹没,通常采用带低通滤波和差分输入放大的放大器对信号进行处理。
关于接头的温度补偿,需要测量冷端温度,以获得测量端的绝对温度读数。通常,另一种能够输出绝对温度的传感器用于冷端温度测量,例如热电阻、热敏电阻、集成测温IC等。热电偶的测温结果由冷端测温结果补偿。
非线性校正:热电偶的输出结果是非常非线性的,在不同的温度下灵敏度变化很大,因此需要进行非线性校正
热电偶输出电压经通用运算放大器放大低通滤波,冷端温度经集成温度IC和二极管补偿后,送入ADC进行模数转换。下图显示了早期的热电偶处理电路。冷端温度补偿采用二极管;运算放大器用于构成信号放大和低通滤波电路,还具有传感器开路(断耦)检测等辅助功能;模拟信号转化由NE555组成的压频转换电路作为频率输出。
2.集成单芯片热电偶解决方案
目前,一些制造商已经推出了集成冷端温度补偿、PGA和ADC的热电偶单片解决方案。

热电偶

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