>
儀(yí)表(biǎo)保(bǎo)溫(wēn)箱(xiāng)
補償導(dǎo)綫連(lián)接熱電(diàn)偶的要(yào)點: 兩種不同材料(liào)的(dí)導體(或(huò)半導體)組(zǔ)成(chéng)一(yī)個閉(bì)合(hé)回路,當兩接(jiē)點(diǎn)溫度t和t0不(bù)同時,則在該(gāi)回(huí)路中就會(huì)產(chǎn)生(shēng)電動勢,這(zhè)種(zhǒng)現象(xiàng)稱為(wéi)熱電效(xiào)應,該電動(dòng)勢稱為熱電(diàn)勢。這兩(liǎng)種(zhǒng)不同(tóng)材料(liào)的(dí)導體(tǐ)或(huò)半導體(tǐ)的(dí)組合稱為熱(rè)電(diàn)偶,導體A,B稱為熱電極(jí)。兩個(gè)接點(diǎn),一個稱(chēng)熱(rè)端,又(yòu)稱(chēng)測(cè)量(liáng)端或(huò)工作(zuò)端(duān),測溫(wēn)時(shí)將(jiāng)它(tā)置(zhì)於被(bèi)測(cè)介質中(zhōng);另一(yī)個(gè)稱冷(lěng)端,又稱參(cān)比(bǐ)端或(huò)自由端,它(tā)通(tōng)過(guò)導(dǎo)綫與(yǔ)顯(xiǎn)示(shì)儀(yí)表(biǎo)相(xiāng)連(lián)。
接觸電勢(shì)是由於(yú)兩種(zhǒng)不同導體(tǐ)的(dí)自由電(diàn)子密(mì)度不同(tóng)而在(zài)接觸處形(xíng)成(chéng)的(dí)電動(dòng)勢。兩(liǎng)種導體接觸時,自(zì)由(yóu)電(diàn)子由密(mì)度大的導(dǎo)體(tǐ)向(xiàng)密(mì)度小的(dí)導體擴散,在接觸(chù)處失(shī)去電子(zǐ)一側帶正電,得到電(diàn)子(zǐ)一(yī)側帶負(fù)電,擴散達到(dào)動平衡(héng)時,在(zài)接觸麵(miàn)的兩側(cè)就(jiù)形成(chéng)穩定的(dí)接觸電(diàn)勢。接觸電勢(shì)的數(shù)值取決於兩(liǎng)種(zhǒng)不同導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸(chù)點(diǎn)的溫度(dù)。兩接(jiē)點的(dí)接觸電(diàn)勢eAB(t)和eAB(t0)可(kě)表(biǎo)示(shì)為(wéi):
eAB(t)=(Kt/e)ln(NAt/NBt)
eAB(t0)=(Kt0/e)ln(NAt0/NBt0)
式中:K——波(bō)爾(ěr)茲曼常數(shù),等於1.38E-6格(gé)爾/℃;
e——單(dān)位電荷,等(děng)於4.802E-10經(jīng)典單(dān)位;
NAt,NBt和NAt0,NBt0——溫度分別(bié)為(wéi)t和t0時(shí),A,B兩(liǎng)種(zhǒng)材料的(dí)電(diàn)子(zǐ)密度。
溫差(chà)電勢(shì)是(shì)同一(yī)導體(tǐ)的兩端(duān)因(yīn)其(qí)溫(wēn)度不同(tóng)而產(chǎn)生的一種(zhǒng)電動(dòng)勢(shì)。同(tóng)一(yī)導(dǎo)體的兩端溫度不(bù)同(tóng)時(shí),高(gāo)溫端的(dí)電(diàn)子能(néng)量(liáng)要比(bǐ)低(dī)溫(wēn)端的電子能量大(dà),因而從高(gāo)溫端跑到低(dī)溫(wēn)端(duān)的電子數(shù)比從低(dī)溫端(duān)跑到高溫(wēn)端(duān)的(dí)要多,結果高溫(wēn)端(duān)因失去(qù)電子而帶正電,低(dī)溫端(duān)因獲得(dé)多餘(yú)的電子(zǐ)而(ér)帶負(fù)電(diàn),因(yīn)此,在導體(tǐ)兩端(duān)便(biàn)形成(chéng)接(jiē)觸(chù)電勢,其(qí)大(dà)小可由A導體和(hé)B導(dǎo)體的(dí)電(diàn)子密度的定積(jī)分(fēn)求出(chū)。
熱電(diàn)偶回(huí)路(lù)中(zhōng)產生的總熱(rè)電(diàn)勢為
eAB(t, t0)=eAB(t)+eB(t,t0)-eAB(t0)-eA(t,t0)
在總熱(rè)電(diàn)勢(shì)中,溫差(chà)電(diàn)勢(shì)比接觸(chù)電勢小(xiǎo)很多,可(kě)忽略不(bù)計,則(zé)熱(rè)電偶(ǒu)的熱電(diàn)勢(shì)可(kě)表(biǎo)示為(wéi):
eAB(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)
對(duì)於已選定(dìng)的(dí)熱(rè)電(diàn)偶,當(dāng)參比端(duān)溫度(dù)t0恒(héng)定(dìng)時,eAB(t0)=c為常數(shù),則總的熱電動(dòng)勢就(jiù)隻與溫(wēn)度(dù)t成單值(zhí)函數關(guān)係,即eAB(t,t0)=eAB(t)-c=f(t),這(zhè)一(yī)關(guān)係式在實(shí)際測量中是很(hěn)有用(yòng)的(dí),即隻(zhī)要測(cè)出(chū)eAB(t, t0)的大小,就能得(dé)到被測溫度(dù)t,這(zhè)就是利用熱(rè)電偶(ǒu)測溫的原理。
由熱電(diàn)偶的測(cè)溫原(yuán)理(lǐ)可知,當熱(rè)電偶材料(liào)選(xuǎn)定(dìng)以(yǐ)後,熱電偶(ǒu)產生的熱電(diàn)勢與測(cè)量端(duān),參(cān)比端(duān)的(dí)熱(rè)電勢(shì)有關(guān),隻有(yǒu)參比端(duān)溫度(dù)t0為(wéi)零或(huò)恒(héng)定(dìng)不變,熱電勢(shì)才是熱端(duān)溫(wēn)度的單值函(hán)數(shù)。熱電(diàn)偶的分度表也是(shì)以(yǐ)參(cān)比端(duān)溫度0℃作(zuò)為(wéi)基準進行分度的(dí),而在實際使用(yòng)過(guò)程中(zhōng),冷(lěng)端溫度(dù)往往(wǎng)不(bù)為0℃,所(suǒ)以必(bì)須(xū)對(duì)參比端(duān)溫(wēn)度進(jìn)行補償;如果(guǒ)不(bù)補(bǔ)償(cháng)的(dí)話,則熱電偶的(dí)參(cān)比(bǐ)端溫度t0與(yǔ)儀表(biǎo)接(jiē)綫端(duān)溫(wēn)度t1間的(dí)溫(wēn)差(chà)t0-t1則(zé)越(yuè)大,測量誤(wù)差也(yě)就(jiù)越(yuè)大。
實(shí)際(jì)應用(yòng)時(shí),由於熱電偶參比端的接綫(xiàn)盒(hé)通常暴(bào)露(lòu)在(zài)大氣中(zhōng),溫度(dù)變化較大,如不采取(qǔ)措(cuò)施(shī),接(jiē)綫(xiàn)盒內溫(wēn)度既不(bù)可(kě)能為零,也不(bù)可(kě)能保(bǎo)持某(mǒu)個(gè)溫(wēn)度恒(héng)定(dìng)不(bù)變(biàn),由此引(yǐn)起測量(liáng)誤(wù)差。由於與熱電偶相(xiāng)連(lián)的二次儀(yí)表(biǎo)(如(rú)顯示器,記(jì)錄(lù)儀),I/O 插(chā)卡等(děng)均(jūn)帶(dài)環境(jìng)溫(wēn)度補(bǔ)償,可(kě)對這些裝置與熱(rè)電偶(ǒu)的接(jiē)綫點(即(jí)儀表(biǎo)接綫端)溫度t1進行補(bǔ)償。由此(cǐ)可見(jiàn),關鍵(jiàn)是如(rú)何(hé)對(duì)熱(rè)電(diàn)偶的參比(bǐ)端(duān)溫(wēn)度(dù)t0進行(háng)補償。目(mù)前有多(duō)種參比端(duān)補償方(fāng)法,如(rú)恒(héng)溫法(fǎ),補償電橋法,補(bǔ)償熱(rè)電(diàn)偶法,補(bǔ)償導綫法(fǎ)等(děng),但(dàn)zui常用的就是補(bǔ)償導(dǎo)綫法(fǎ)。
補償導(dǎo)綫(xiàn)除了(liǎo)可減少(shǎo)測量誤差(chà)外,還有以(yǐ)下(xià)優點:可改善熱電(diàn)偶(ǒu)測(cè)溫(wēn)綫路的物理(lǐ)性(xìng)能(néng)和機(jī)械(xiè)性能(néng),如采(cǎi)用多股(gǔ)綫(xiàn)芯或(huò)小直(zhí)徑(jìng)補償導(dǎo)綫可提(tí)高(gāo)綫(xiàn)路(lù)的(dí)柔韌(rèn)性(xìng),使連接方(fāng)便(biàn),也易於(yú)屏蔽外界(jiè)幹擾(rǎo);可降(jiàng)低測(cè)量(liáng)綫(xiàn)路成本,尤(yóu)其是R,S分(fēn)度(dù)號(hào)的貴金屬熱電(diàn)偶,其效(xiào)果(guǒ)更是(shì)顯著(zhù)。
但在常用(yòng)熱(rè)電偶中(zhōng),分度號為(wéi)B的(dí)雙鉑(bó)銠(鉑(bó)銠30-鉑銠6)熱電偶(ǒu)是一(yī)個例外(wài),它(tā)沒有(yǒu)的補(bǔ)償導綫(xiàn),或(huò)者(zhě)換一句(jù)話說,在(zài)實際應用中(zhōng),它一(yī)般沒有必要使(shǐ)用(yòng)補(bǔ)償導綫;但(dàn)參比端溫度(dù)不(bù)等超(chāo)過120℃。雙(shuāng)鉑(bó)銠熱電偶常(cháng)用於1300~1600 ℃溫(wēn)度段的測(cè)溫(wēn)其低(dī)溫段的(dí)熱電勢出奇地低(dī),如100℃時(shí)的熱電勢僅 0.033mV, 200℃時的熱電(diàn)勢(shì)為(wéi)0.178mV,與整個測(cè)溫(wēn)範圍(wéi)內(0~1800 ℃)每100℃的平(píng)均熱電勢(shì)為(wéi)0.700mV比較相差懸(xuán)殊(shū),所以即(jí)使不補償,造成的誤差也(yě)很(hěn)小(xiǎo)。例如當(dāng)熱(rè)端溫(wēn)度(dù)為1300℃和1600℃時,如(rú)參(cān)比(bǐ)端溫(wēn)度t0=100℃時(shí),造(zào)成的(dí)誤(wù)差為±3.0℃,如t1=120℃ 時,造(zào)成的(dí)誤(wù)差(chà)為±5.0℃,均達(dá)到(dào)使(shǐ)用普通級(jí)補(bǔ)償(cháng)導(dǎo)綫±5℃的要(yào)求。但值(zhí)得注意的是,如(rú)t0=200℃時,則可(kě)能造成±16.3℃的(dí)誤(wù)差,因(yīn)此(cǐ)對(duì)雙(shuāng)鉑銠熱(rè)電(diàn)偶(ǒu)來說(shuō),雖然在通(tōng)常(cháng)情況下可不(bù)使用補償導綫(xiàn),但(dàn)限製條(tiáo)件是(shì)參(cān)比端(duān)溫度(dù)t1≤120℃,否則將(jiāng)造成較(jiào)大的誤差。
同樣(yàng)的例外,還有兩種不常用(yòng)的熱電(diàn)偶(ǒu),它(tā)們(mén)是(shì)鎳鈷(gǔ)-鎳(niè)鋁熱電偶(ǒu)200℃以下熱(rè)電勢幾(jī)乎(hū)為零,可(kě)不用補償導(dǎo)綫(xiàn),和鎳鐵-鎳銅熱電偶在(zài)50℃以(yǐ)下(xià)的熱電勢(shì)微(wēi)乎其微(wēi),在這(zhè)個溫度範(fàn)圍(wéi)內也不用補償導(dǎo)綫(xiàn)。
R,S分度號的鉑(bó)銠(lǎo)13-鉑(bó)和鉑銠10-鉑熱電(diàn)偶(ǒu),由(yóu)於(yú)在低(dī)溫段100℃時(shí)兩(liǎng)者基本一(yī)致(zhì)(R,S 分度號的熱電(diàn)勢分(fēn)別為0.647mV和0.646mV),200℃時稍(shāo)有差(chà)別(R,S 分度號(hào)的熱電勢分別(bié)為 1.467 mV和1.441mV),所以目(mù)前國(guó)內(nèi)市(shì)場上R,S分(fēn)度(dù)號的(dí)補(bǔ)償導綫(xiàn)是通(tōng)用的。如(rú)將市場上通常(cháng)采購得(dé)到的S分(fēn)度號的補償導(dǎo)綫用於(yú)R分度號的(dí)熱(rè)電(diàn)偶,在100℃以(yǐ)下(xià)*,即(jí)使(shǐ)到(dào)了耐(nài)熱(rè)用補(bǔ)償(cháng)導綫(xiàn)的極限溫度(dù)200℃,當熱電偶(ǒu)的(dí)熱(rè)端(duān)溫度分別為600℃,1000℃,1300℃時,所引(yǐn)起的誤差(chà)僅為(wéi)2.5℃,2.2℃,2.0℃。