热电偶冷(参考)结补偿

在这篇博客文章中，我将简要介绍热电偶，特别是冷结和不同的冷结补偿方法。

在多年的过程仪器校准工作中，经常让我感到惊讶的是，即使是经常使用热电偶的人，也并不总是意识到热电偶，特别是冷(参考)结是如何工作的，因此他们可能会在测量和校准中出错。

为了能够讨论冷结，我们需要首先简要了解热电偶理论以及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考虑，当你在典型的工艺装置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”，所以我将在本文中使用它。

热电偶

热电偶是工艺装置中非常常见的温度传感器。热电偶的优点很少，因此被广泛使用。它们可用于测量非常高的温度，比rtd(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，所以它不容易损坏。虽然热电偶不像RTD传感器那样准确，但在许多应用中已经足够准确。热电偶也是相对便宜的传感器，热电偶测量电路不像RTD电路那样需要激励电流，所以从这个意义上说，电路更容易制造。有许多不同类型的热电偶优化为不同的应用。

热电偶传感器使用起来似乎很简单-只有两根电线-可能会出什么问题?

但是考虑到冷结，以及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，但在此之前，再多讲几句热电偶理论，以帮助更好地理解冷结的讨论。

热电偶是如何工作的?

让我们来看看热电偶是如何工作的。热电偶由两端连接在一起的两根由不同导体制成的电线组成(“热”端)，这是你想用来测量温度的一端。

早在1821年，Thomas Johann Seebeck就发现，当这些导线的连接点被置于不同的温度下时，会产生热电流，使开口端的导线之间产生小电压。电压取决于温度和所使用的导电导线的材料。这种效应被命名为塞贝克效应。

热电偶简化原理图:

上图:“热电偶材料1和2”代表热电偶由两种不同的材料制成。“T1”是热电偶的热端，即用于测量温度的点。两个“Tcj”是冷结点的温度。

上面的解释有些简化，因为热电压实际上是由热电偶电线中的温度梯度产生的，一直在“热”和“冷”接点之间。所以，实际上并不是结点产生电压，而是沿着导线的温度梯度。这是很容易理解的，认为热电压是在结，热和冷。也许更科学的热电偶理论可以在以后的一些其他帖子中提供，但在这篇文章中，让我们坚持实际的考虑。

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量，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，并给出了所使用的特定材料的名称。名字通常很短，通常只有一个字母，比如K, R, S, J, K等。

一些最常见的热电偶及其材料如下表所示:

线的颜色

好消息是热电偶电线是彩色编码，以便于识别。

坏消息是，颜色代码有许多不同的标准，它们彼此不同。

主要标准是IEC60584-3(国际)和ANSI(美国)，但也有许多其他标准，如日本、法国、英国、荷兰、德国等。不幸的是，通过颜色来识别类型有点复杂。

热电偶的thermovoltage

由于不同的热电偶是由不同的材料制成的，因此热电压也不同，如下图所示。在相同温度下，不同类型之间产生的电压差异很大。

如果你想测量更低的温度，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。但如果你需要去高温，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。

塞贝克系数表示热电偶的电压变化相对于温度变化的程度。稍后再详细介绍。

上图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通常对不同的热电偶类型有不同的精度规格。测量设备或校准器通常具有电压中规定的电压测量精度。例如，它的精度可以达到4微伏。这4微伏精度等于不同的温度精度取决于热电偶类型，由于不同的热电偶灵敏度。

测量装置(校准器)示例

让我们看看两个极端:在200°C温度下的E和B型。E型在200℃时的灵敏度(塞贝克系数)约为74 μ V/°C，而B型在200℃时的系数约为2 μ V/°C。所以这两者之间有37倍的差异。

例如，如果您的测量设备可以测量的电精度为4µV，这意味着它提供了约0.05°C(4µV除以74µV/°C)的精度为E型在200°C，精度为2°C(4µV除以2µV/°C)与B型在200°C。

因此，我们可以看到为什么对于不同类型的热电偶，热电偶测量设备/校准器的精度规格通常非常不同。

校准器的准确性

如果你看到一个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格，要小心!通常这意味着规格/数据表是在营销部门完成的，而不是在技术部门……;-)

这是不现实的。

标准

还有一些标准(例如AMS2750E)要求所有类型的热电偶具有相同的精度，但由于不同类型的灵敏度存在巨大差异，这在实践中没有太大意义。

塞贝克系数

我之前提到过塞贝克系数。这是热电偶的灵敏度，即它解释了每次温度变化产生多少电压。

下图显示了一些不同热电偶的塞贝克系数:

冷端

现在，让我们开始深入“冷结点”……

前面，我展示了简化的热电偶原理的图片，显示了热电压是在“热”端连接中产生的，其中两个不同的导体连接在一起。你应该问的一个大问题是:但是导线的另一端呢?

多好的问题啊!我很高兴你问了…;-)

当你测量热电偶的电压时，你可以把热电偶电线连接到万用表上，简单吧?不是真的!万用表的连接材料通常是镀铜或镀金的，所以它与热电偶材料是不同的材料，这意味着您可以在万用表连接中创建两个新的热电偶!

让我们用一张图来说明:

在上图中，材料1和材料2是构成热电偶的两种热电偶材料。“热端”是它们焊接在一起的点，这是测量过程温度的点，这是电压U1产生的地方。U1就是我们要测量的。在“冷结”点，热电偶连接到电压表，电压表的连接由不同的材料制成，材料3。在这些连接中，会产生热电压U2和U3。正是这些U2和U3电压，我们不想测量，所以我们想摆脱它们或补偿它们。

正如我们在上图中看到的，你实际上是在测量串联的三(3)个热电偶的电压。显然，您希望只测量“热”结的电压/温度，而不是其他两个结。

那么，你能做些什么呢?

您需要以某种方式消除或补偿在冷结点中产生的热电偶。有很多不同的方法。让我们接下来看看这些。

冷结选择和补偿方法

1.冰浴中的冷结

连接需要与冰浴中的水进行电气隔离，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使用的方法。无论如何，它在工艺车间不太实用，所以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20808 μ V。测得的温度是多少?

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) =在冷(参考)结产生的电压= 0µV (IEC 60584型N, 0°C)
• E_N(t_U1) = e + e_N(t_r) = 20808 μ v + 0 μ v = 20808 μ v =605°C(IEC 60584 type N, 20808µV)

所以温度是605°C。

2.在已知的固定温度下的冷结

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结连接。你可以有一个小的连接盒，它有一个温度控制，让盒子总是在一个特定的温度。通常情况下，温度高于环境温度，因此盒子只需要加热，不需要冷却。

当你知道你的冷结的温度，你也知道你的热电偶的类型，你可以计算和补偿冷结热电压。

许多测量设备或温度校准器都有一个功能，您可以输入冷结的温度，设备将为您进行所有计算并进行补偿。

例子:

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

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= 928 μ V (IEC 60584型N, 35°C)
• E_N(t_U1) = e + e_N(t_r) = 19880 μ v + 928 μ v = 20808 μ v =605°C(IEC 60584 type N, 20808µV)

因此，测量温度为605℃。

请注意热电偶的计算必须总是在电压中进行。一个常见的错误是寻找测量电压的表值并添加冷结温度。在这种情况下，根据IEC 60584标准，测量的19880 μ V的相应温度为581.2°C。用温度值计算，581.2°C + 35°C = 616.2°C。误差为+ 11.2°C。

3.测量冷结的温度

如果您不像前面的例子那样调整冷结温度，那么无论如何都可以用温度探头测量冷结的温度。然后你可以补偿冷结效应，但补偿有点困难，因为你需要一直测量冷结温度，并知道你的热电偶类型，进行计算，以了解冷结的影响。

幸运的是，许多温度校准器提供了使用温度探头测量冷结温度的功能，该设备自动进行所有补偿和计算。

4.测量装置自动在线补偿

我提到过前面的例子很困难，因为你需要一直计算补偿，但是你可以把它留给测量设备来自动完成。测量装置(变送器、DCS输入卡或温度校准器)可以随时测量冷端温度，并自动在线补偿冷端误差。由于测量装置也知道热电偶类型(在菜单中选择)，它可以自动连续补偿。

这自然是在正常测量和校准中补偿冷结的最简单和最实用的方法，因为您不需要担心冷结，并将其留给设备来照顾。你只要把热电偶电线插到设备上。

Beamex温度校准器也支持这种自动补偿。

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请看Beamex MC6-T温度校准器。它也可以用于校准热电偶，并具有自动冷结补偿。它还提供了一个多功能连接器，您可以连接不同的热电偶连接器，或裸露的热电偶电线。

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