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热电偶是输出电流信号还是电压信号,一文解释清楚!

2020/05/13

绪言:这个题目说的4-20mA是通过温度变送器转换后标准电流信号,实际上热电偶输出的不是标准电流信号,而是非标准电压信号,电压信号很弱,通常为mV级别。这里简单解释一下可能还云里雾里,这是仪表方面的知识,接下来重点阐述热电偶,为题主弄清热电偶的来龙去脉。


L型热电偶

上图是热电偶实物图,在化工、冶金、医药等行业这种测温传感器是很常用的,从事仪表方面的工作的可以对其进行详细的了解。


浅谈热电偶的原理及应用


热电偶;把两种不同材料的导体或半导体A与B任意一端焊接在一起,构成热电偶。结构原理图如下所示!


热电偶回路图

图中热电极指的是构成热电偶的两种不同金属材料A或B。t指热端温度,是插入测温场所的。to指冷端温度,置于环境温度下的。当t大于to时,即两端温度不同,有热电势产生。因此,它是一种感温元件,用于温度这个物理量测量的计量仪表。


上述过程中提到热电势这个关键词,热电偶在工作中产生热电势是源自于热电效应。何为热电效应?受热半导体或导体中的电子会随着温度梯度从高往低的温区移动,这个过程中会产生电流或电荷堆积的一种现象,称热电效应。其中,温度与电压相互转化的现象又存在三种效应,汤姆孙效应、帕尔帖效应、西伯克效应,具体的不做详细阐述,这里把热电偶产生的热电势的组成做详细的解释!


热电势由接触电势与温差电势组成。


接触电势;上面说了热电偶是由两种不同导体或半导体材料构成闭合回路。假设A电极材料的电子浓度为NA,B电极材料的电子浓度为NB。当NA大于NB,则产生电子浓度差,那么在工作端A电极材料中的电子向B电极材料扩散。又因为电子是带负电荷的,失去电子的电极带正电,得到电子的电极带负电,所以就形成了电势。在电子浓度差的作用下,冷端A电极材料中的电子向B电极扩散,得到电子的电极带负电,失去电子的电极带正电,因此也形成电势。


热电偶热端接触电势图


热电偶冷端接触电势图

图中的T指热端温度,EAB(T)指热端的电势。To指冷端温度,EAB(To)指冷端的电势。


接触电势从上面阐述可知,由于两种不同导体或半导体焊接而成,电极材料中的电子会由高向低移动,从而产生接触电势。


温差电势;假设其中一个电极的热端温度为T,冷端温度为To。当T大于To,热端的电子动能大,冷端的电子动能小,于是出现热端的电子向冷端移动的现象,使得热端的电位变高,冷端的电位变低,最终形成了温差电势。


因此热电偶在工作过程中,有两个接触电势和两个温差电势,而我们需要的电势信号是四个电势的代数和。即EAB(T,To)=EAB(T)-EA(T,To)-EAB(To)+EB(T,To)。从此公式可知,当温差电势较小时可以忽略不计,于是总电势EAB(T,To)=EAB(T)-EAB(To)。于是热电偶的输出电势与热端电势及冷端电势有关,热端电势是需要的,而冷端电势随着环境温度不同而不同,因此解决冷端温度不恒定的因素,在工业上常采取补偿导线法。


安装现场的测温热电偶输出信号要传输到二次仪表,才能实现温度测量及控制。可想而知,安装位置与二次显示仪表位置定有一段距离,才能将热电偶与二次显示仪表连接,因此所用的连接线称之为补偿导线。这里要注意的,补偿导线对冷端是不起补偿作用的,只是把冷端延伸到二次显示仪表位置处进行处理,提高热电偶测量精度。所用的热电偶补偿导线有补偿型补偿导线和延长型补偿导线。补偿型补偿导线产生的电势与所用热电偶产生的热电势相近。延长型补偿导线采用与所用热电偶电极材料而制成,对于一般测量不太实用,遇到贵金属材料电极采用延长型补偿导线,代价太大。



热电偶补偿导线图

综上所述,热电偶的基本情况如何已做阐述。至于问题,开头也说了是热电偶信号传输到热电偶温度变送器后,从温度变送器输出的信号,而不是热电偶原始的信号。



K型热电偶温度变送器图

通过热电偶温度变送器的标准信号不好查阅热电偶分度表而找出相应的温度。但甩开温度变送器,可以直接用万用表的mv档测量其热电势,此时根据所用热电偶是K型B型R型及J型E型热电偶,根据实测的热电偶热电势查阅与之匹配的分度表即可知道工作温度。


采用温度变送器将非标准的信号转换标准电流信号输出,好处就是在DCS或PLC这边,所用的模块不需要专门的热电偶模块,采用电流模拟量输入模块就可实现温度的监控与控制。


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