教程:理解棘手的热电偶

《温度传感的挑战》一文发表后(控制工程(2007年12月)，我们收到的评论认为我没有很好地描述热电偶。所以让我们更详细地了解这些经常被误解的设备。

以下是文章中读者提出的主要问题，并进行了澄清:

热电偶通过提供由不同金属结产生的非常小的电压信号来指示温度。这描述了表面上的动作，但从技术上讲，这不是真的。（我的过失)。我在吹毛求疵吗?对于地球上的观察者来说，你可以说白天和黑夜是由太阳绕地球运行造成的。它描述了这种效果，但这是错误的。同样，你也应该了解更多关于热电偶的真相。

提供测量的电压不仅在结处产生。尽管一些消息来源表明情况确实如此，但不同金属的交汇点并没有什么神奇之处。

重要的是连接点是导线的两端，这一点很重要。电压实际上是在电线的整个长度上产生的，在任何有温度梯度的地方。

也许这个口头说明会有所帮助。把电线想象成一根装满水的软管，两端都有盖子。如果你把软管的一端举得比另一端高，重力就会在软管中产生压力。凡是有梯度的地方，就会产生压力。(这是一个不完美的模型，但请与我合作。)如果你切断软管的盖子，保持它完全充满水，并连接到一个差压传感器的两端，传感器将始终读取零(假设一个正常的传感器)，因为软管的两端在同一水平。不管水管如何上下移动，所有的梯度都是相互平衡的。

热电偶工作是因为热在导线中产生热电电压。这就是塞贝克效应。任何有温度梯度的地方，都会有电压，因为电子想要从热流向冷。每一度温度的电压值

将电线的两端放到电压表上(下图1)就像软管的类比，因为两端的温度相同，电压均匀。

但是，如果你使用有不同的塞贝克系数，你可以测量两根电线在相同温度梯度下产生的电压差。(下图2)这就是为什么热电偶使用不同的金属。之所以选择它们，是因为它们在给定的温度梯度下产生不同的电压——因此，人们普遍认为是结产生了信号。你测量的是两种电线的整体温度梯度所产生的电压差。连接点就是电线的两端，这就是相关的测量点。

热电偶纯粹主义者对此感到很热(双关语)，因为他们相信，如果你不了解这些基本事实，你将无法很好地应用热电偶，你不会理解它们是如何以及为什么漂移的，你会倾向于将它们视为不准确的。例如，认为结是热电偶的工作位的人往往会忘记电线的其余部分，这是危险的。导线中任何有物理或化学变化的地方，都会影响读数。如果它在远离连接点的中间某个地方被腐蚀，就会改变电压和由此产生的读数。

同样，不匹配的延长线，不良的连接和松散的维护都会降低热电偶的性能。技术人员只看传感结可能会说它是好的，不明白为什么他或她的热电偶由于电线在另一个区域的问题而漂移。如果你不了解真正的原因，你就会得出错误的结论。

如果你有高质量的电线，仔细测量塞贝克系数特性，在一个应用程序中，它被保护免受物理和化学变化，并有相当复杂的信号处理，热电偶确实可以非常准确，非常稳定。

三个插图：

1.如果你用同一种导线连接电压表的两边，你的读数就会是零，因为两边的温度梯度是一样的，它们会相互平衡。

2.如果你有两种塞贝克系数足够不同的电线，你会看到电压差异，因为在相同的温度梯度下，一根电线会比另一根产生更多的电压。如果你知道电线的热电特性，并知道电压表的温度，你就能从电压测量中计算出火焰的温度。

3.这显示了更传统的热电偶配置。
感应线从火焰延伸到冰浴，它提供了一个已知的参考温度。
(实际的过程安装通常不使用实际的冰浴，而是使用第二个温度测量装置。)

——peter Welander，过程工业编辑，PWelander@cfemedia.com，
控制工程过程仪表与传感器月刊
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