热电偶冷(参考)结补偿

在这篇博文中，我将简要介绍一下热电偶，特别是冷结和不同的冷结补偿方法。

在多年的过程仪表校准工作中，经常让我感到惊讶的是，即使是经常使用热电偶的人也不知道热电偶，特别是冷(参考)结是如何工作的，因此他们可能在测量和校准中出错。

为了能够讨论冷结，我们首先需要简短地了解热电偶理论和热电偶是如何工作的。

我不会深入研究理论科学，但会更多地关注实际问题，当你在典型的工艺工厂中使用热电偶测量和校准时，你应该知道的事情。

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术语:冷结或参考结

热电偶“冷结”通常被称为“参考结”，但在我看来，人们更经常使用“冷结”，所以我将在这篇文章中使用这个。

热电偶

热电偶是工艺装置中非常常见的温度传感器。热电偶没有什么优点使它们得到广泛应用。它们可以用来测量非常高的温度，比电阻温度检测器高得多。热电偶也是一个非常坚固的传感器，所以它不会轻易断裂。尽管热电偶不像RTD传感器那样精确，但在许多应用中它们是足够精确的。热电偶也是相对便宜的传感器，热电偶测量电路不需要像RTD电路那样需要励磁电流，所以从这个意义上来说，电路制作起来更简单。有许多不同的热电偶类型，为不同的应用进行了优化。

热电偶传感器使用起来似乎很简单——只有两根电线——有什么可能出错呢?

但考虑到冷结和测量电路中的所有结，它并不总是像看起来那么简单。

让我们开始讨论冷结，但在那之前，再多说几句热电偶理论，以帮助更好地理解冷结的讨论。

热电偶是如何工作的?

让我们看看热电偶是如何工作的。热电偶由两根由不同导体制成的导线组成，导线的一端连接在一起(“热”端)，这是你要用来测量温度的端。

早在1821年，托马斯·约翰·塞贝克就发现，当这些电线的连接点进入不同的温度时，就会产生热电电流，在开放的一端的电线之间产生一个小电压。电压取决于温度和所使用的导电导线的材料。这种效应被称为塞贝克效应。

热电偶原理简图:

在上面的图片中:“热电偶材料1和2”代表了热电偶的两种不同材料。“T1”是热电偶的热端，即用来测量温度的点。这两个“Tcj”是冷连接的温度。

上面的解释有些简化了，因为热电偶导线中的温度梯度实际上是由“热”和“冷”节点之间的温度梯度产生的。所以，产生电压的并不是连接点，而是沿导线的温度梯度。如果认为热电压和冷电压是在结中产生的，就更容易理解这一点。也许更科学的热电偶理论可以在以后的一些文章中提供，但在这篇文章中，让我们坚持实际考虑。

热电偶类型和材料

有许多类型的热电偶是由不同的材料和合金制造的。不同的材料会引起不同的灵敏度，在相同的温度下产生不同的热电压，并会影响其他特性，如最高温度。

几种不同类型的热电偶已经标准化，并对所使用的特定材料给出了名称。名字通常很短，通常只有一个字母，例如键入K, R, S, J, K等。

下表列出了一些最常见的热电偶及其材料:

线的颜色

好消息是热电偶线有颜色编码，便于识别。

坏消息是，颜色编码有许多不同的标准，而且它们彼此不同。

主要标准有IEC60584-3(国际)和ANSI(美国)，但也有许多其他的，如日本、法国、英国、荷兰、德国等标准。所以不幸的是，通过颜色来识别字体有点复杂。

热电偶的thermovoltage

由于不同的热电偶是由不同的材料制成的，所以热电偶的热电压也不同，如下图所示。在相同的温度下，不同型号之间产生的电压有很大的差异。

如果你想测量较低的温度，显然最好使用更敏感的类型，因为它们提供更高的电压，更容易测量。但如果你需要高温，你需要选择一些不太敏感的类型，可以在这样的高温下使用。

塞贝克系数告诉我们热电偶的电压相对于温度的变化有多大。稍后再详细介绍。

上面的图片说明了不同热电偶之间的不同灵敏度，也解释了为什么热电偶校准器对于不同类型的热电偶通常有不同的精度规格。测量装置或校准器，通常具有以电压表示的电压测量精度。例如，它的精度可以达到4微伏。这4微伏的精度等于不同的温度精度取决于热电偶类型，由于热电偶的不同敏感性。

测量装置(校准器)示例

让我们看看两个极端:E型和B型在200°C的温度下。E型在200℃时的灵敏度(塞贝克系数)约为74µV/°C, B型在200℃时的灵敏度(塞贝克系数)约为2µV/°C。所以这两个差37倍。

例如,如果您的测量装置可以测量与电子4µV的准确性,这意味着它提供了精度约为0.05°C(4µV除以74µV /°C)在200°C, E类型和精度2°C(4µV除以2µV /°C)与B型200°C。

因此，我们可以看到为什么不同热电偶类型的热电偶测量设备/校准器的精度规格常常非常不同。

校准器的准确性

如果你看到温度校准器的数据表，它对所有热电偶类型有相同的精度规范，要小心!通常情况下，这意味着规格/数据表是在市场部门完成的，而不是在技术部门…

这是不现实的。

标准

也有一些标准(例如AMS2750E)要求所有热电偶类型具有相同的精度，但由于不同类型的热电偶的灵敏度存在巨大差异，这在实践中没有多大意义。

塞贝克系数

我之前已经提到了塞贝克系数。这是热电偶的灵敏度，也就是说，它解释了每温度变化产生多少电压。

下图显示了不同热电偶的塞贝克系数:

冷端

现在，让我们开始潜入“冷连接”…

前面，我展示了简化的热电偶原理图，显示了在“热”端连接中产生的热电压，即两个不同的导体连接在一起。你应该问的一个大问题是:但是电线的另一端呢?

这是个好问题!我很高兴你问……

当你测量热电偶的电压时，你可以把热电偶线连接到万用表上，很简单，对吧?不是真的!万用表的连接材料通常是铜或镀金的，所以它与热电偶材料是不同的材料，这意味着你在万用表连接中创建了两个新的热电偶!

让我们用一张图片来说明:

在上图中，材料1和材料2是形成热电偶的两种热电偶材料。“热端”是他们焊接在一起的点，这是测量过程温度的点，这是电压U1产生的地方。U1是我们要测量的。在“冷结”点，热电偶连接到电压表，电压表有不同材料的连接，材料3。在这些连接中，产生了温度电压U2和U3。我们不想测量U2和U3的电压，所以我们想去掉这些或者补偿它们。

正如我们在上面的图片中所看到的，你实际上是在测量串联在一起的三(3)个热电偶的电压。很明显，你只想测量“热”结的电压/温度，而不是其他两个结。

那么，你能做什么呢?

你需要以某种方式消除或补偿在冷接口处产生的热电偶。有不同的方法可以做到这一点。让我们接下来看看这些。

冷结选择和补偿方法

1.冰浴中的冷接点

根据其性质，热电偶结在0°C(32°F)温度时不产生任何热电压。所以，你可以在那个温度下制造冷接点，例如在冰浴中或精确的温度块中。你可以将热电偶电线连接到冰浴中的铜线上，在这种连接中不会产生温度电压。这样你就不需要担心冷接点了。

这些连接需要与冰浴中的水电隔离，以避免任何泄漏电流导致错误，或可能产生腐蚀。

这是一种非常精确的方法，也是校准实验室通常采用的方法。无论如何，它在工艺车间的地面上是不太实用的，所以它通常不用于工艺车间。

例子:

N型热电偶连接如图所示。电压表显示20808µV。测量的温度是多少?

E = E_N(t_U1) - E_N(t_r）

地点:

E =测量电压= 20808µV
E_N(t_U1) =热结产生的电压
E_N(t_r) =冷(参考)结产生的电压= 0µV (IEC 60584型N, 0°C)
E_N(t_U1) = e + e_N(t_r) = 20808µv + 0µv = 20808µv =605°C(IEC 60584 N型、20808 V型)

温度是605°C。

2.在已知的固定温度下的冷接点

由于冰浴被发现是不切实际的，你也可以在其他已知的固定温度下进行冷接点连接。你可以有一个小的连接盒，它有一个温度控制，使盒子始终保持在一定的温度。一般情况下，温度高于环境温度，所以盒子只需要加热，不需要冷却。

当你知道冷结的温度，你也知道热电偶的类型，你可以计算和补偿冷结的热电压。

许多测量设备或温度校验器有一个功能，你可以输入冷接点的温度，该设备将为你做所有的计算和补偿。

例子:

N型热电偶连接如图所示。电压表显示19880 μ V。冷(参考)结的温度是35°C。测量的温度是多少?

E = E_N(t_U1) - E_N(t_r）

地点:

E =测量电压= 19880µV
E_N(t_U1) =热端产生的电压
E_N(t_r) =参考(或冷)结产生的电压= 928µV (IEC 60584型N, 35°C)
E_N(t_U1) = e + e_N(t_r) = 19880µv + 928µv = 20808µv =605°C(IEC 60584 N型、20808 V型)