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关于热电偶参考结补偿的基础内容细节解说

来源:发表时间:2019-07-27


      存在多种技术来处理参考结温度的影响。一种技术是将该结的温度(注1)物理地固定在某个恒定值,因此它总是稳定的。这样,测量电压的任何变化都必须归因于测量结处的温度变化,因为参考结已经无法改变温度。这可以通过将参比接头浸入冰水浴中来实现,冰/水混合物通过水的熔化潜热确保稳定的温度(注2)。
      注1:关于热电偶使用的早期文本描述了多种自动补偿参考(“冷”)结的技术。一种设计是在参比接点处放置一个水银灯泡温度计,并将一圈细铂丝浸入水银中。随着结温的升高,水银柱会上升并短接超过铂线环的长度,导致其电阻降低,这反过来会使测量电路偏向电压以抵消参考结电压的影响。另一种设计使用双金属弹簧来偏移仪表运动的指针,因此指示仪器(参考接合点所在的位置)的温度变化将导致模拟仪表的针头偏离其正常的“零”点,
      注2:对于任何单一物质的任何两相混合物(在这种情况下,H2O),该混合物的温度将是压力的严格函数,该混合物仅具有一个热力学自由度。任何从冰/水混合物中添加或移除热量都会导致相变(例如,更多的冰融化成水,或者更多的水结冰变成冰)而不是温度变化。如果需要更高的精度,可以使用三点单元来固定参考结的温度,因为在其三相点处的任何物质将具有零度的热力学自由度(即,其压力和温度都不会改变)。


      实际上,这是热电偶温度/电压表的参考方式:描述测量结点的给定温度产生的电压量,参考接点保持在水的冰点(0 o C = 32 o F)。由于参考接点保持在水的凝固点,热电偶表参考特定的冷端温度,电压表的指示将始终简单直接地对应于测量接点J1的温度。
      然而,在冷冻水温度下固定参比接点对于实验室外的任何真实热电偶应用是不切实际的。相反,我们需要找到一些其他方法来补偿参考结温度的变化,这样我们就可以准确地解释测量结的温度,尽管参考结温度随机变化。
      补偿参考结电压的实际方法是在热电偶电路内包括幅度相等且极性与参考结电压相反的附加电压源。如果该额外电压连续等于参考结的电位,它将精确地抵消参考结电压,从而导致测量仪器端子上出现完整(测量结)电压。这称为参考结补偿或冷结(注3)补偿电路:

 


      注3:请注意,“冷端”只是“参考接点”的同义标签。事实上,“冷”参考接点可能比所谓的“热”测量接点处于更温暖的温度!没有什么能阻止任何人使用热电偶来测量低于水的冰点的温度。为了使这种补偿策略起作用,补偿电压必须连续跟踪参考结产生的电压。为此,补偿电压源(上图中的Vrjc)使用一些其他温度感应设备(如热敏电阻或热电阻)来检测形成结J2的接线端子处的局部温度,并产生一个反电压,即与J2的电压(Vrjc = VJ2)始终精确相等且相反。取消参考结的影响后,电压表现在只记录测量结J1产生的电压:
      Vmeter = VJ1 - VJ2 + Vrjc
      Vmeter = VJ1 + 0(如果Vrjc = VJ2)
      Vmeter = VJ1
      一些仪器制造商销售电子冰点模块,旨在为无补偿仪器(如标准电压表)提供参考接合点补偿。“冰点”电路执行上图中Vrjc所示的功能:它插入一个反作用电压来消除参考结产生的电压,这样电压表只能“看到”测量结的电压。根据热电偶线连接到冰点模块的端子温度,由热敏电阻或热电阻检测,该补偿电压保持在适当的值:


      在这个例子中,我们看到测量结(J1)在570华氏度的温度下,产生16.266毫伏的电压。如果这个热电偶直接连接到仪表,仪表只能记录15.218毫伏,因为参考结(J2,华氏69度)与其自身的1.048毫伏电压相反。然而,在安装了冰点补偿电路的情况下,1.048毫伏的参考接点被冰点电路的1.048毫伏相等的相位取消。这允许来自测量结的完整16.266毫伏信号到达电压表,在那里它可以通过J型热电偶表读取并与温度相关。
      首先,在构建参考结点补偿(冰点)电路时遇到麻烦似乎毫无意义,这样做时需要使用其他温度感应元件,如热敏电阻或热电阻。毕竟,当我们可以简单地使用这个“其他”设备来直接测量过程温度时,为什么还能够使用热电偶精确测量温度?换句话说,如果我们必须依靠其他类型的电子温度传感器来补偿热电偶的特性,那么热电偶的用处是否无效?
      这个问题的答案是热电偶比其他传感器类型具有某些优势。热电偶非常坚固,并且具有比热敏电阻,热电阻和其他主要传感元件更大的温度测量范围。但是,如果应用不要求极端坚固性或大测量范围,热敏电阻或热电阻最有可能是更好的选择!

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