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        淺談熱電偶的溫度測量、理論、參考結溫及危險分析等

        發布時間:2019-07-16 08:48:09來源:


              忽略可觸及的熱部件,我們為什么要測量溫度,以及我們如何確定應測量哪些部件?測量電子設備內的溫度,預防,控制或限制的危險是什么?為什么我們測量溫度上升而不是絕對溫度?為什么我們使用熱電偶而不是其他溫度測量設備?而且熱電偶如何工作?
        熱電偶理論
              讓我們先解決最后一個問題。根據ANSI MC96-1,熱電偶是“兩種不同的熱電偶,當測量和參比接點處于不同的溫度時,它們會連接成產生熱電動勢。”
              該定義中有三個關鍵概念:“熱電偶”,“熱電動勢”和“結點”。最關鍵的概念是“熱電動勢”。
              1821年,Thomas Johann Seebeck發現,在由兩種不同金屬(熱電偶)組成的閉合回路中,如果一個結的溫度高于另一個結的溫度,則電流將流動。這種現象稱為“塞貝克效應”。參見圖1.“電路”包括熱電偶。所有不同的金屬都表現出這種效果。
        圖1:塞貝克效應
              請注意,每根電線都有兩端。當連接到電路中時,每根導線都有兩個接頭,每個接頭位于導線的兩端。在接頭涉及不同金屬的情況下,導線變成熱電元件。當兩個結都涉及不同的金屬時,系統變成熱電偶,其中一個結是“測量結”,另一個結是“參考結”。
              每個熱電偶結都會產生與溫度成比例的電壓(熱電動勢)。當兩個熱電偶結點處于相同溫度時,熱電動勢相等,并且電路中沒有電流。當一個結的溫度高于或低于另一個結時,電流表將指示一個電流,該電流與兩個結之間的溫差和結的面積成比例。
              圖2是圖1的等效電路。每個結可以通過串聯的電池和電阻器重新呈現。在圖2中,熱電動勢的Eland E2是不同金屬組合的函數,與結的溫度成正比。電阻R1和R2與各個結的面積成比例。在圖2中,I與Junction 1和Junction 2之間的溫差成正比。但是我也與R1和R2的值成比例。R1和R2的值與結的面積成比例,這既不可預測也不可重復。因此,雖然I與溫度差成比例,但除非確定并考慮了R1和R2的值,否則它不能用于確定溫差。
        圖2:等效電路
              我們可以用電壓表替換電流表來消除R1和R2的影響。參見圖3.電壓表測量兩個結之間的電壓差E + E1 - E2。如果我們知道參考結的溫度,那么我們可以通過在表格中查找與參考結溫相對應的電壓來確定電壓E2?,F在,我們可以求解方程E1 = E + E2。我們現在回到表格并查看E1及其溫度,即測量結溫。
        圖3:實用的熱電偶溫度計
              如果參考結溫度為0°C(在冰浴中),那么,由于表中的電壓參考0°C,E2 = 0,E = E 1.現在,我們可以消除求和步驟,直接從表中讀取溫度。
        電壓表連接
              現在的問題是:我們如何處理鐵線與電表銅線的連接(連接點)?回想兩個陳述:首先,所有不同的金屬都表現出塞貝克效應。因此,從鐵線到兩根銅線的連接構成另一個熱電偶。其次,當兩個結溫度相同時,熱電動勢相等,電路中沒有電流。因此,我們將兩個鐵 - 銅結點放在等溫塊上,使一個結的溫度與另一個結的溫度相同。(參見圖3.)因此,兩個額外的結點會抵消,并且不會對測量做出貢獻。
        參考結溫
        需要確定參比接點的溫度。有幾種方法可以做到這一點。
              首先,我們可以將結點強制到特定溫度。最明顯的是冰浴。但這很麻煩。其次,我們可以將參考結放到等溫塊上,并通過其他方法測量塊的溫度。這通常用熱敏電阻完成。
              第三,我們可以使用電池和熱敏電阻電路產生與參考熱電偶在0°C時相同的電壓。這就是“電子冰點”。
              在每種情況下,并且可能在一些中間步驟之后,結果是測量結的電壓(與溫度成比例)。下一步是將電壓轉換為溫度。
        電壓 - 溫度轉換
              首先,我們可以簡單地查找表中的電壓,并讀取相應的溫度。這可以手動或使用電子存儲器完成。然后我們可以從電壓和溫度之間的關系式計算溫度。
              或者,我們可以假設電壓 - 溫度關系是線性的,測量電壓,采用比例因子,并讀出溫度(有一些不準確)。
              (熱電偶的電壓 - 溫度關系不是線性的.K型熱電偶在0到1000°C的溫度范圍內接近線性度,是與比例電壓表一起使用的熱電偶。)
              幸運的是,大多數現代熱電偶測量設備都能解決所有這些參數問題,因此我們無需關心儀表接點,等溫塊,參考接點,參比接點溫度,電壓 - 溫度關系或非線性。我們只需要將熱電偶或探頭應用于物體并讀取溫度。
        熱電偶類型
              有許多不同的熱電偶類型,更常見的類型通過字母標記和電線,連接器和等溫接線塊的顏色編碼進行標準化。認證機構對J型熱電偶進行了標準化,因為它價格低廉,因此很受歡迎且易于獲得,并且具有合適的溫度范圍。
              盡管有這種標準化,但仍會出現混亂。一杯冰水不會顯示出熱電偶類型的混淆,因為按照慣例,0°C對應于所有熱電偶類型的0 V. 相反,一杯開水確認系統是否均勻和校準。
        熱電偶與其他溫度計
              為什么我們使用熱電偶而不是其他溫度測量設備?當然其中一個原因是熱電偶已經存在了很長時間并且在性能上有很好的表征。通過標準化一個特定系統,熱電偶,消除了溫度測量中的一個變量。
              通常用于安全評估的熱電偶與被測部件相比具有相對低的熱質量。這是必要的,因為熱電偶總是從被測物體帶走熱量,并將溫度降低一些量。為了最大限度地減少這種誤差,我們使用了可用于特定測量的最小熱電偶。例如,CSA規定了30號帶焊接接頭的WG熱電偶線。
        熱電偶附件
              熱電偶與待測部件的連接對于精確的溫度測量也至關重要。熱電偶接頭必須與平底鍋或被測材料直接接觸。這意味著,如果使用環氧水泥來連接熱電偶,熱電偶和鍋之間必須沒有水泥。否則,水泥會有溫度梯度。熱電偶將測量其在環氧樹脂內的位置處的溫度,該溫度必然小于被測量的鍋的溫度。在一些情況下,環氧樹脂或其他附接裝置可以充當鍋的熱絕緣體,使得由熱電偶測量的溫度實際上高于沒有環氧樹脂或其他附接裝置的溫度。
              一般規則是:使用最少量的材料將熱電偶連接到鍋上。
        危害
              由于測量電子設備內的溫度,預防,控制或限制的危險是什么?這根本不是直觀明顯的,也不是從對各種認證機構標準的研究中顯而易見的。我們從IEC 348第7.2條“電子測量儀器的安全要求”的標題開始了解危險性。標題:保溫絕緣。
              溫度測量的主要目的是確定所有與安全相關的絕緣材料在其溫度額定值范圍內使用。當這一點完成后,我們可以確保絕緣不會受到施加在其上的溫度的過度壓力,因此,它將被“保留”。一個基本的假設是,如果絕緣在其額定溫度范圍內使用,它就會被保留它的生命周期。
              防止的危險是特定絕緣失效可能導致的危險。通常,絕緣失效會導致觸電條件。電子設備中的絕緣故障也可能導致電氣引起的火災。
        測量
              現在我們可以開始決定應該測量哪些平底鍋。顯然,我們測量所有與安全相關的絕緣材料。這包括變壓器,電源電路中的電感器,印刷線路板,開關體,熱塑絕緣電線等。
              但是,在變壓器中,我們測量的是導線溫度,而不是絕緣溫度。為什么?導線溫度加熱絕緣層,由于導線與絕緣層緊密接觸,導線溫度是最差的絕緣溫度。并且,大多數電氣絕緣體也是熱絕緣體,因此即使不是不可能,也難以測量絕緣體上的最熱點。
              在某些標準中,我們需要測量半導體器件和電阻器。為什么我們測量這些組件,因為它們不是安全絕緣材料?我們這樣做是因為電線絕緣可能會與設備接觸并被燒毀。
              我們還測量聚合物材料和電容器。聚合物材料用作外殼和結構。在這里,材料也必須“保留”以保持其封閉和結構功能; 通過使用其評級內的材料來完成保存。
              如果溫度過高,電解電容會發生爆炸,因此我們測量它們的溫度。然而,今天的大多數調制解調器電容器都配有減壓機構,但要求依然存在。X和Y電容器基本上是跨線和線對地絕緣,如果要保持絕緣,必須在其溫度額定值內使用。
        溫度上升
              為什么我們測量溫度上升而不是絕對溫度?基于前面的討論,這是一個難題。在前面的討論中,我暗示每種材料,無論是絕緣材料,聚合物材料還是電解電容器,都無法在某些絕對溫度下發揮其功能。如果我們的目標是通過在其額定值內操作絕緣材料,聚合物材料,電解電容器等來避免故障,那么我們應該關注絕對溫度。
        絕對溫度的問題是,如果我們應該在20°C環境中測量溫度,而其他人應該在25°C環境中測量溫度,那么我們的測量結果可能表現出可接受的性能,而他們的測量結果可能表現出不可接受的性能。但是,如果我們減去環境溫度,我們兩者將得到幾乎相同的數字。
              與絕緣等的額定溫度相比,標準中規定的溫升限值是保守的。并且,它們假設環境溫度將在20到25°C附近。例如,允許典型的105級絕緣因此,如果環境溫度為25°C,則絕對溫度為90°C,低于105°C的額定溫度。
              溫度升高測量和限制用于在不嚴格控制環境時標準化各方之間的測量。
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