热电偶学习笔记--原理与使用

发表于 | 分类于 | | 阅读次数

这学期过程控制课介绍了热电偶的相关知识，相对于检测技术课程更偏向于热电偶的实际应用。这篇文章将会介绍热电偶的基本原理和使用方法，介绍如何使用K型热电偶的正向/反向公式，并用MATLAB绘制SEEBACK曲线。

热电偶原理简介

基本原理

  • 以下内容参考 过程控制系统/清华大学出版社

热电偶是一种感温元件，是一次仪表，它直接测量温度，并把温度信号转换成电动势信号。热电偶是由两根不同的导体组成的，当两端温度不同时就会有热电势产生。

P.S：热电势包括接触电势和温差电势两部分，由于温差电势比接触电势小得多，故主要考虑接触电势。
P.S：接触电势是指两种不同材质的导体A，B接触时两边自由电子的密度不同，在交界面上产生电子相互扩散的电势。

三个结论

  • 热电偶的两个热电极必须是两种不同材料的均质导体，否则热电偶回路的总电动势为零。
  • 热电偶两接合点的温度必须不等，否则热电偶回路的总热电势为零。
  • 热电偶A，B产生的热电势只与两个接点温度有关，而与中间温度无关，与热电偶的材料有关，和热电偶的尺寸形状无关。

热电偶的应用

下面这张图是一个较为完整的热电偶测温系统，是我根据课堂笔记在Draw App上面绘制的。这张图漏画了一个低通滤波器，主要是为了解决10KHz的射频干扰问题。 测温系统 ### 补偿导线 因为热电偶一般都是贵金属，在远距离测量时为了节约成本所以需要补偿导线。补偿导线在一段温度范围内与所匹配的热电偶热电势标称值相同，而且价格比热电偶本身便宜很多，延长了热电偶的冷端。使用补偿导线的理论基础是中间温度定律。 ### 滤波及放大器 - 上图测温系统应该有两处滤波，第一处在运放之前，使用低通滤波器消除射频干扰，经由运放后需要滤波器滤去工频50Hz的杂波干扰。 - 使用的差分放大器需要满足高输入阻抗和低偏置电流两个特点。（大高输入阻抗可以有效减小流过热电偶的电流，这样就避免了热电偶自发热对测温准确度的影响）

热电偶分度表和正/反向公式使用

首先推荐一个很有用的网站NIST在这里可以查看各种型号的热电偶温度与电压的对应表。表格的样子如下：
表格 网站还给出了两个公式如下： 公式 我们可以用MATLAB绘制“温度-输出热电势”，“输出热电势-温度”，“赛贝克(seeback)系数曲线”曲线。下面是MATLAB程序：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
a0 =  0.118597600000E+00
a1 = -0.118343200000E-03
a2 =  0.126968600000E+03
c_i_1 = [0.000000000000E+00 0.394501280250E-01 0.236223735980E-04 -0.328589067840E-06 -0.499048287770E-08 -0.675090591730E-10 -0.574103274280E-12 -0.310888728940E-14 -0.104516093650E-16 -0.198892668780E-19 -0.163226974860E-22]
c_i_2 = [-0.176004136860E-01 0.389212049750E-01 0.185587700320E-04 -0.994575928740E-07 0.318409457190E-09 -0.560728448890E-12 0.560750590590E-15 -0.320207200030E-18 0.971511471520E-22 -0.121047212750E-25]
t_1 = -270:0
t_2 = 1:1370
E_1 = 0
E_2 = 0
for i = 1:length(c_i_1)
    E_1 = E_1 + c_i_1(i) * t_1.^(i-1)
end
for i = 1:length(c_i_2)
    E_2 = E_2 + c_i_2(i) * t_2.^(i-1)
end
E_2 = E_2 + a0*exp(a1 * (t_2 - a2).^2)
t = [t_1 t_2]
E = [E_1 E_2]
for i = 1:length(E)-1
    err(i) = E(i+1)-E(i)
end
T = -270:1369
plot(T,err)
plot(t,E)
xlabel('TEMPERATURE(?C)')
ylabel('SEEBECK COEFFICIENT -?V/?C')
title('THERMOCUPLE SEEBECK COEFFICIENT VERSUS TEMPERATURE')

以上是正向公式的使用和绘制SEEBACK曲线，下面是反向公式的使用：

1
2
3
4
5
6
7
8
d_i = [-1.318058E+02 4.830222E+01 -1.646031E+00 5.464731E-02 -9.650715E-04 8.802193E-06 -3.110810E-08 0.000000E+00 0.000000E+00 0.000000E+00]
t = 0
E = 20.644:0.1:54.886
E = 31.213
for i = 1:10
    t = t + d_i(i)*E.^(i-1) 
end
plot(E,t)

这里给出的电压区间是20.644V~54.886V，其他区间程序同理，相应地更改d_i就可以了。