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热电偶

      对于我们周围发生的许多活动来说,感知温度是一个必不可少的过程。比如让房间变得舒适的空调,路上行驶的汽车,头顶上飞行的飞机。这些活动可能彼此截然不同,但它们都有一个共同点:热电偶温度传感。那么热电偶究竟是什么呢?它是如何工作的?它的用法是什么?让我们研究一下这个问题:什么是热电偶?

热电偶

图1:真实的热电偶!


什么是热电偶?

      热电偶是用来测量温度的,所以从技术上讲,热电偶是温度传感器的一种。热电偶由两种不同的金属组成。一般情况下,是两根电线绞合、焊接或压接在一起的形式。温度是通过测量电压来实现的。加热金属丝会导致金属丝中的电子被激发并移动。我们可以用万用表测量电子运动的电势。通过这个测量,我们就可以计算出温度。

      简而言之,热电偶将温度能量转化为电信号。监测热电偶的工作人员可以直接使用该信号,但多情况是通过观察、记录或使用数据自动采集系统。

      让我们看一看热电偶的图表,了解一下这个仪器是如何工作的。

热电偶

图2:基本热电偶


      如图2所示,热电偶是一种相对简单的仪器。两条由不同金属组成的电线连接在一起,置于需要测量温度的地方。这个连接点被称为测量节点。导线的另一端也连接在一起,置于一个已知温度的区域。该连接点称为参考节点。

      让我们做一个小实验,加热热电偶的一端,并测量发生了什么。

热电偶

图3:加热热电偶


      通过对测量节点加热,可以使金属线中的电子激发和流动,产生电流。由于我们想测量这个电流的电压,我们用铜线将参考节点连接到万用表上。万用表感应到的电流以毫伏(mV)为单位给出读数。让我们提高测量点的温度,看看万用表上的读数会发生什么变化。

热电偶

图4:施加更多热量


      随着测量节点温度的升高,我们看到万用表上参考节点的读数也相应增加。万用表上的值的重要意义是它是两个接点之间温度差的函数。我们可以绘制出这两个变量之间的关系图。因此,如果我们知道参考节点的温度,并且可以测量测量节点被加热时的电压变化,就可以确定测量节点的温度。

热电偶

图5:绘制温度与电压的关系图


      虽然我们不能直接通过热电偶获得测量节点的温度,但可以得到一个电压。该电压与测量节点和参考节点之间的温度差相关。如果将电压和温度之间的关系绘制成图表,我们就可以通过参考电压信号来确定相应的温度值。测量过程的某些参数,如所使用的导线类型和参考节点的温度,必须保持恒定。这样,测量温度的过程就具有可重复性。

热电偶背后的科学原理

      让我们更详细地了解热电偶背后的科学。我们从两种不同的金属线开始,一种由铁(Fe)制成,另一种由镍铜合金(CuNi)制成。将这些导线组合在一起会产生一个电势。电势是电流流动的能力,它会根据连接导线所用金属的特性而变化。

      仅仅通过将两根电线连接在一起,什么都不会真正发生,只是具有了发生某种事情的可能性。比如,想象一块静止的巨石放在山顶,只有施加了一个推力之后,才会导致很多岩石从山上滚落下来。然而,在推动岩石之前,只有潜力。

热电偶

图6:连接两根电线,形成电压电势


      由于导线只连接在一点上,电流就没有机会流动。然而,如果我们将电线的另一端也连接在一起,就会创建一个电路或路径,电流可以流动。

      由于我们将两根电线的另一端也连接在一起,所以也产生了另一个电势。记住,这只是电流流动的可能性。此外,由于这两个结都是相互连接的铁线和镍线,所以这两个电压是相同的,它们之间没有可测量的电势差。

热电偶

图7:连接在具有两个电压电势的电路中的两根导线


      上图中,是由两条不同金属线组成的电路,具有两个电压。

      完成热电偶演练所需的最后一个因素是温度,或者更准确地说,是温差。让我们加热其中一个连接点,一端的温差产生不同的电压,继续加热,产生越来越显著的温差,就可以测量到越来越大的电压差。

热电偶

图8:加热一端导致电压差


      一个完整的热电偶不仅仅是一对导线,这只是热电偶最基本的形式。例如,热电偶通常带有外护套和绝缘层,以帮助防止腐蚀和磨损。

      此外,它们通常不会像上面的例子那样连接到万用表上,而是将热电偶连接到数据采集及控制系统,即一种可以接收热电偶读数并根据数据进行操作的自动化装置。最后,测量的电压与直线上的温度读数也不是完全相关的,热电偶输出不是线性的,所以图5中的图表过于简单化了,仅仅是示意图。

不同热电偶之间有什么区别?

      热电偶有多种形状、尺寸和材料。不同金属的各种性质是热电偶工作的关键。热电偶中使用的典型金属有铁(Fe)、铜(Cu)、镍(Ni)、镍铜合金(Cu/Ni)、镍铬合金(Cr/Ni)和铂(Pt)。用不同金属材料的热电偶测量温度有不同的优点和缺点。

      某些金属组合可能适用于较冷的温度,但不适用于高温。其他组合可能在特定温度范围内提供更准确的读数。此外,另一种组合可能适合腐蚀性环境——延长热电偶的使用寿命。


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