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熱電偶冷端補償原理(li)及在(zai)航(hang)空儀表校驗中的應用
發表時間:2018-05-02     閱讀次數:     字體:【

引言

熱電(dian)偶(ou)(ou) (Thermocouple) 是溫(wen)度(du)測(ce)(ce)量儀(yi)(yi)(yi)表(biao)(biao)(biao)中(zhong)常(chang)(chang)用的測(ce)(ce)溫(wen)元件, 它直接(jie)測(ce)(ce)量溫(wen)度(du), 并把(ba)溫(wen)度(du)信(xin)(xin)號轉換成熱電(dian)動勢信(xin)(xin)號, 通(tong)過電(dian)氣儀(yi)(yi)(yi)表(biao)(biao)(biao) (二次儀(yi)(yi)(yi)表(biao)(biao)(biao)) 轉換成被測(ce)(ce)介質的溫(wen)度(du)。由(you)于熱電(dian)偶(ou)(ou)具有(you)價(jia)格(ge)低廉、易于更換, 且有(you)標準(zhun)接(jie)口, 具有(you)很大(da)的溫(wen)度(du)量程等(deng)優點, 在(zai)飛機發動機儀(yi)(yi)(yi)表(biao)(biao)(biao)中(zhong)得到廣泛的應用。在(zai)飛機上熱電(dian)偶(ou)(ou)儀(yi)(yi)(yi)表(biao)(biao)(biao)主要(yao)(yao)由(you)熱電(dian)極、絕(jue)緣(yuan)套(tao)保護管(guan)和接(jie)線盒(he)等(deng)部分組成, 通(tong)常(chang)(chang)和顯示(shi)儀(yi)(yi)(yi)表(biao)(biao)(biao)、記(ji)錄儀(yi)(yi)(yi)表(biao)(biao)(biao)及電(dian)子調節器(qi)配套(tao)使用。在(zai)飛機日(ri)常(chang)(chang)維護、定期檢(jian)查、故障排查中(zhong)需要(yao)(yao)對熱電(dian)偶(ou)(ou)測(ce)(ce)溫(wen)系統進(jin)行經(jing)常(chang)(chang)性(xing)檢(jian)測(ce)(ce)。

熱(re)電(dian)偶溫度表的校(xiao)驗(yan)過程中往往忽略(lve)熱(re)電(dian)偶冷(leng)端補(bu)償導致校(xiao)驗(yan)結果超差(cha)。分析和(he)研究熱(re)電(dian)偶冷(leng)端補(bu)償原理, 能夠有效減少(shao)熱(re)電(dian)偶溫度表校(xiao)驗(yan)的誤差(cha), 提高校(xiao)驗(yan)的效率。

1、熱電偶的工作原理

熱(re)電(dian)(dian)偶(ou)測溫(wen)(wen)(wen)的(de)基本原理(li)是(shi)兩(liang)種(zhong)不(bu)同(tong)成(cheng)份(fen)的(de)材質導(dao)體(ti)組成(cheng)閉合(he)回路, 當兩(liang)端(duan)(duan)存(cun)在溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)梯度(du)(du)(du)(du)時, 回路中就會有電(dian)(dian)流通過, 此時兩(liang)端(duan)(duan)之間就存(cun)在電(dian)(dian)動(dong)勢——熱(re)電(dian)(dian)動(dong)勢, 即所謂(wei)的(de)塞貝(bei)克效應 (Seebeck effect) 。兩(liang)種(zhong)不(bu)同(tong)成(cheng)份(fen)的(de)均(jun)質導(dao)體(ti)為熱(re)電(dian)(dian)極, 溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)較高的(de)一端(duan)(duan)為工(gong)作端(duan)(duan) (熱(re)端(duan)(duan)) , 溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)較低的(de)一端(duan)(duan)為自(zi)由端(duan)(duan) (冷(leng)端(duan)(duan)) , 自(zi)由端(duan)(duan)通常處于某個恒定的(de)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du) (即參考(kao)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)) 下。在飛機上(shang)熱(re)電(dian)(dian)偶(ou)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)表(biao)(biao)主要用于測量發動(dong)機渦輪排(pai)氣(qi)(qi)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)、燃氣(qi)(qi)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)等, 由熱(re)電(dian)(dian)極、接線(xian)盒(he)和顯示儀(yi)表(biao)(biao)配(pei)套(tao)使用。如(ru)圖1所示某型(xing)熱(re)電(dian)(dian)偶(ou)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)表(biao)(biao)全套(tao)設備。

圖 1 某型熱電偶溫度表全套設備

在熱(re)電偶測(ce)溫時(shi), 可接入測(ce)量儀表, 測(ce)得熱(re)電動勢后, 通過查找分度表即可換(huan)算為被測(ce)介質的溫度。

3、熱電偶的冷端補償

熱(re)電(dian)(dian)偶測(ce)量(liang)溫(wen)(wen)度(du)(du)時(shi)要求其自由端(duan) (冷(leng)(leng)端(duan)) 的溫(wen)(wen)度(du)(du)保持不變, 其測(ce)量(liang)端(duan)溫(wen)(wen)度(du)(du)變化(hua)時(shi), 熱(re)電(dian)(dian)勢大小與測(ce)量(liang)端(duan)溫(wen)(wen)度(du)(du)呈一(yi)定的比例(li)關(guan)系 (可(ke)查找(zhao)該(gai)型熱(re)電(dian)(dian)偶的分(fen)度(du)(du)表得到) 。若測(ce)量(liang)時(shi), 冷(leng)(leng)端(duan)的 (環(huan)境) 溫(wen)(wen)度(du)(du)變化(hua), 將嚴重(zhong)影(ying)響測(ce)量(liang)的準確性。因此(ci), 在(zai)冷(leng)(leng)端(duan)采(cai)取(qu)一(yi)定措施(shi)補(bu)(bu)償由于冷(leng)(leng)端(duan)溫(wen)(wen)度(du)(du)變化(hua)造成(cheng)的影(ying)響稱為熱(re)電(dian)(dian)偶的冷(leng)(leng)端(duan)補(bu)(bu)償。

熱電偶冷端(duan)補(bu)償方法:

1、從毫伏到溫(wen)度:測量(liang)冷端溫(wen)度, 換(huan)算為對應(ying)毫伏值, 與熱電偶的毫伏值相加, 換(huan)算出溫(wen)度;

2、從溫(wen)度(du)到毫伏(fu):測(ce)量出(chu)實際(ji)溫(wen)度(du)與冷端溫(wen)度(du), 分別換算為毫伏(fu)值, 相減(jian)後得(de)出(chu)毫伏(fu)值, 即(ji)得(de)溫(wen)度(du)。

4、熱電偶溫度表的校驗

在(zai)飛機(ji)上(shang), 熱(re)電(dian)偶冷(leng)端所處環境溫(wen)度(du)(du)會隨著飛行高度(du)(du)的(de)(de)不同, 季節(jie)氣候的(de)(de)不同, 環境溫(wen)度(du)(du)會存(cun)在(zai)較大差異。熱(re)電(dian)偶溫(wen)度(du)(du)表(biao)在(zai)設計上(shang)充分(fen)考(kao)慮了冷(leng)端補償。因此在(zai)熱(re)電(dian)偶溫(wen)度(du)(du)表(biao)校驗(yan)過(guo)程(cheng)和校驗(yan)設備的(de)(de)研制過(guo)程(cheng)中應(ying)充分(fen)應(ying)用冷(leng)端補償的(de)(de)原(yuan)理, 否則測量會存(cun)在(zai)較大誤差。

因此對熱(re)(re)電偶(ou)溫度表的(de)(de)校(xiao)驗(yan)也應注意熱(re)(re)電偶(ou)溫度表冷端補(bu)償現(xian)象。對熱(re)(re)電偶(ou)溫度表的(de)(de)校(xiao)驗(yan)主要包括以下幾種情形(xing):一是(shi)對顯示儀表的(de)(de)校(xiao)驗(yan);二是(shi)對熱(re)(re)電偶(ou)熱(re)(re)電極、接線盒的(de)(de)校(xiao)驗(yan)。

4.1、熱電偶冷端補償在顯示儀表校驗中的應用

對(dui)顯(xian)(xian)示(shi)儀(yi)表(biao)(biao)(biao)的(de)(de)(de)校(xiao)驗方法是(shi)通(tong)過外部(bu)信號(hao)源(yuan)模(mo)擬(ni)熱(re)(re)(re)(re)電偶(ou)(ou)在(zai)(zai)各個溫(wen)度(du)(du)點輸(shu)出的(de)(de)(de)電壓, 使顯(xian)(xian)示(shi)儀(yi)表(biao)(biao)(biao)正確指示(shi)模(mo)擬(ni)熱(re)(re)(re)(re)電偶(ou)(ou)對(dui)應的(de)(de)(de)溫(wen)度(du)(du)值 (測試(shi)示(shi)意圖如圖2) 。在(zai)(zai)校(xiao)驗過程中, 一定需要注意的(de)(de)(de)是(shi)由于(yu)熱(re)(re)(re)(re)電偶(ou)(ou)冷端(duan)和顯(xian)(xian)示(shi)儀(yi)表(biao)(biao)(biao)所處的(de)(de)(de)環境(jing)(jing)溫(wen)度(du)(du)一致。由于(yu)環境(jing)(jing)溫(wen)度(du)(du)在(zai)(zai)不(bu)同時(shi)刻和不(bu)同飛行高度(du)(du), 會(hui)發生(sheng)改變, 顯(xian)(xian)示(shi)儀(yi)表(biao)(biao)(biao)內部(bu)在(zai)(zai)設(she)計的(de)(de)(de)時(shi)候已(yi)經做了(le)冷端(duan)補(bu)償。因此, 在(zai)(zai)對(dui)顯(xian)(xian)示(shi)儀(yi)表(biao)(biao)(biao)校(xiao)驗的(de)(de)(de)時(shi)候在(zai)(zai)施加模(mo)擬(ni)熱(re)(re)(re)(re)電偶(ou)(ou)電壓時(shi)必須(xu)考慮顯(xian)(xian)示(shi)儀(yi)表(biao)(biao)(biao)對(dui)環境(jing)(jing)溫(wen)度(du)(du)所做的(de)(de)(de)冷端(duan)補(bu)償。以K型鎳(nie)鉻(ge)-鎳(nie)硅熱(re)(re)(re)(re)電偶(ou)(ou)的(de)(de)(de)顯(xian)(xian)示(shi)儀(yi)表(biao)(biao)(biao)為例:若環境(jing)(jing)溫(wen)度(du)(du)為20℃, 施加845℃溫(wen)度(du)(du)模(mo)擬(ni)信號(hao)應為V (850℃) -V (20℃) = (35.314-0.798) m V=34.516 m V, 此時(shi)顯(xian)(xian)示(shi)儀(yi)表(biao)(biao)(biao)應顯(xian)(xian)示(shi)845℃。事(shi)實上(shang), 若環境(jing)(jing)溫(wen)度(du)(du)為20℃, 而(er)不(bu)施加模(mo)擬(ni)熱(re)(re)(re)(re)電偶(ou)(ou)電壓, 此時(shi)指示(shi)儀(yi)表(biao)(biao)(biao)會(hui)顯(xian)(xian)示(shi)20℃。注:V (850℃) 、V (20℃) 可(ke)從(cong)表(biao)(biao)(biao)1鎳(nie)鉻(ge)-鎳(nie)硅熱(re)(re)(re)(re)電偶(ou)(ou) (K型) 分度(du)(du)表(biao)(biao)(biao)查表(biao)(biao)(biao)得到。

圖 2 指示儀表測試示意圖

圖 3 熱電偶熱電勢測試示意圖 下載原圖

5、結束語

本(ben)文充(chong)分(fen)闡(chan)述了(le)熱(re)電偶(ou)工作原理(li)、熱(re)電偶(ou)分(fen)度(du)表、熱(re)電偶(ou)冷端補償(chang)原理(li)。在應用到熱(re)電偶(ou)溫(wen)(wen)度(du)表的校(xiao)驗和校(xiao)驗設備(bei)(bei)研制過程后, 大大提高了(le)熱(re)電偶(ou)溫(wen)(wen)度(du)表的校(xiao)驗準確度(du)。利用該原理(li)研制的熱(re)電偶(ou)溫(wen)(wen)度(du)表校(xiao)驗設備(bei)(bei), 使用單位及使用者給予(yu)了(le)充(chong)分(fen)的肯(ken)定。


 
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