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熱電偶測溫的基本原理是兩種不同材質導體組成閉合回路,當兩端存在不同溫度時,回路中就會有電流通過,此時兩端之間就存在熱電勢,這就是所謂的塞貝克效應。熱電偶直接用作測量介質溫度的一端叫做工作端(也稱為測量端),另一端叫做冷端(也稱為補償端);冷端與儀表連接,顯示熱電偶所產生的熱電勢(圖2)。

根據材質不同,熱電偶分不同的型號,目前按IEC國際標準,主要有S、B、E、K、R、J、Tqizhongbiaozhun。youyuredianouchanshengdedianshijiaoxiao,qiefeixianxing,tongchangshiyongredianoucewendushixuyaojinxingfangdahexianxinghua。redianoushuchudedianreshiliangjiedianwenduchadehanshu,tongchangjiangredianouyiduanzuoweibeicewenduduan,T0作為固定冷端(參考溫度端),通常要求T0保持0度。但實際使用很難滿足,所以產生了熱電偶冷端補償的問題,冷端補償可采用補償導線或補償電橋等多種方法。
NI公司的SCC和SCXI係列調理產品均有針對熱電偶調理的模塊。NI SCC-TC係列是可調理各類熱電偶的單通道模塊,該產品支持±100mV範圍內的毫伏輸入,帶有一個2Hz的低通靜噪濾波器,增益100的儀用放大器,用於冷端溫度補償的板載熱敏電阻以及實現M係列DAQ設備最高掃描速率的緩衝輸出。SCC-TCxiliemokuaideshurudianluhaibaohangaozukangpianyadianzuqi,keyongyuredianoukailudejianceyijifudongredianouhejiedicankaoredianoudechuli。tongyangzuoweiredianoutiaolideNI SCXI-1102和SCXI-1112每路輸入通道也包括了一個儀器放大器和一個2Hz的低通濾波器。采集卡可以用高達333 kS/s(每通道3us)的速度掃描它們的模擬輸入通道,支持采集的信號範圍包括電壓以及0到20mA或4到20mA的電流。SCXI每個模塊的所有通道都可以被NI數據采集卡的某一路通道采集,並支持另加模塊以增加通道數。
NI也提供帶有專門針對某類應用調理的數據采集卡,即C係列產品。NI 9211A專門針對各類型的熱電偶測量設計,24位分辨率保證了高精度,內置傳感器則實現了冷端溫度補償。該模塊還具有250 Vrms通道-地麵接地隔離,實現了安全、抗幹擾和高共模電壓範圍。NI 9211A可加上一個USB 9162構成USB-9211A單獨使用,也可以插在cDAQ-9172的8槽USB底板上作為cDAQ係統中的一個模塊使用。
cDAQ模塊雖然集采集調理為一體,但是通道數較少,NI 9211A可以同時采集4路熱電偶,單通道采樣率為12S/s。如果需要采集多通道或高速的熱電偶信號,可選擇M係列數據采集卡加上SCC或SCXI調理模塊。
熱電阻(RTD)
redianzushizhongdiwencaijishichangyongdeyizhongwenduchuanganqi,tadezhuyaotedianshiceliangjingdugao,xingnengwending,lingmindugao。redianzushijiyujinshudaotihuobandaotidedianzuzhisuiwendudezengjiaerzengjiazheyitexinglaijinxingwenduceliangde,qidadouyouchunjinshucailiaozhicheng,muqianshiyongzuiduodeshibo。redianzuxuyaodianyuanjili,qiebunenggoushunshiceliangwendudebianhua。gongyeyongredianzuyibancaiyongPt100,Pt1000,Cu50,Cu100等多種型號。
熱電阻的引線對測量結果會有較大的影響,目前熱電阻的引線主要有三種方式:二er線xian製zhi,三san線xian製zhi,四si線xian製zhi。二er線xian製zhi是shi在zai熱re電dian阻zu的de兩liang端duan各ge連lian一yi根gen導dao線xian來lai引yin出chu電dian阻zu信xin號hao,這zhe種zhong引yin線xian方fang法fa很hen簡jian單dan,但dan是shi測ce量liang精jing度du不bu高gao。在zai熱re電dian阻zu一yi端duan連lian接jie一yi根gen引yin線xian,另ling一yi端duan連lian接jie兩liang根gen引yin線xian的de方fang式shi稱cheng為wei三san線xian製zhi,這zhe種zhong方fang式shi通tong常chang與yu電dian橋qiao配pei套tao使shi用yong。因yin為wei熱re電dian阻zu作zuo為wei電dian橋qiao上shang一yi個ge橋qiao臂bi的de電dian阻zu,其qi連lian接jie導dao線xian也ye是shi橋qiao臂bi的de一yi部bu分fen,而er這zhe部bu分fen電dian阻zu是shi未wei知zhi且qie隨sui環huan境jing溫wen度du變bian化hua的de,會hui造zao成cheng測ce量liang誤wu差cha。采cai用yong三san線xian製zhi,將jiang導dao線xian一yi根gen接jie到dao電dian橋qiao的de電dian源yuan端duan,其qi餘yu兩liang根gen分fen別bie接jie到dao熱re電dian阻zu所suo在zai的de橋qiao臂bi及ji相xiang鄰lin橋qiao臂bi上shang,這zhe樣yang較jiao好hao地di消xiao除chu了le導dao線xian電dian阻zu帶dai來lai的de測ce量liang誤wu差cha。熱re電dian阻zu兩liang端duan各ge連lian接jie兩liang根gen導dao線xian的de方fang式shi稱cheng為wei四si線xian製zhi,其qi中zhong兩liang根gen為wei熱re電dian阻zu提ti供gong激ji勵li電dian流liu,把ba電dian阻zu轉zhuan換huan成cheng電dian壓ya信xin號hao,再zai通tong過guo另ling兩liang根gen輸shu出chu電dian壓ya供gong采cai集ji,這zhe種zhong引yin線xian方fang式shi可ke完wan全quan消xiao除chu引yin線xian電dian阻zu的de影ying響xiang,主zhu要yao用yong於yu高gao精jing度du的de溫wen度du檢jian測ce,但dan成cheng本ben也ye最zui高gao。
NI SCC-RTD01是針對熱電偶調理的雙通道模塊,可連接2、3或4線鉑電阻RTD(圖3)。NI SCC-RTD01的每一通道都帶有一個增益為25的放大器和一個30Hz低通濾波器,每一模塊上還提供用於1或2個RTD的1mA激勵源。NI SCXI-1102模塊與NI SCXI-1581電流激勵模塊一起使用,可以提供32通道的高精度RTD或熱敏電阻調理。1102帶有一個2 Hz低通濾波器,1581則提供穩定的100µA電流源,從而確保測量精度。由於SCXI采用模塊化設計,在應用需求改變時可以方便地擴展數據采集係統。

NI 9217是具有4通道、24位分辨率的模擬輸入模塊,專門用作100 Ω 的RTD測量。NI 9217可配置兩種不同的采樣率模式,高采樣率模式下采樣率可達400 S/s(每通道100 S/s);高分辨率模式下,采樣率為5 S/s(每通道1.25 S/s),並配有50/60Hz內置噪聲抑製功能。NI 9217與3線和4線製RTD測量兼容,能自動探測與通道連接的RTD類型,並將每條通道配置成恰當的模式,該模塊提供每通道1mA的電流激勵,在整個操作溫度範圍內的精度誤差小於1 °C。9217還包含NI ST校準並具有通道-地麵接地雙重隔離屏障,實現了安全性、抗擾性和高共模電壓範圍。
熱敏電阻
熱敏電阻是對溫度敏感的半導體(圖4),與RTD相xiang似si,其qi阻zu抗kang隨sui溫wen度du變bian化hua而er變bian化hua。熱re敏min電dian阻zu由you玻bo璃li或huo環huan氧yang珠zhu封feng裝zhuang的de金jin屬shu氧yang化hua物wu半ban導dao體ti材cai料liao製zhi造zao而er成cheng。而er且qie,熱re敏min電dian阻zu的de典dian型xing標biao稱cheng阻zu抗kang值zhi要yao比biRTD高得多,阻抗值從2000Ω到10,000Ω,故可用於較低電流的測量。熱敏電阻具有較高的靈敏度(約200 Ω/°C),這使得它對於溫度的變化非常靈敏,具有極高的響應速率,但它的使用範圍最高為300至500 °C。同(tong)樣(yang),熱(re)敏(min)電(dian)阻(zu)也(ye)需(xu)要(yao)激(ji)勵(li),接(jie)線(xian)方(fang)式(shi)也(ye)有(you)二(er)三(san)四(si)線(xian)製(zhi)之(zhi)分(fen),但(dan)是(shi)由(you)於(yu)熱(re)敏(min)電(dian)阻(zu)的(de)標(biao)稱(cheng)阻(zu)抗(kang)非(fei)常(chang)高(gao),所(suo)以(yi)連(lian)線(xian)阻(zu)抗(kang)不(bu)會(hui)影(ying)響(xiang)其(qi)測(ce)量(liang)值(zhi)的(de)精(jing)度(du),因(yin)此(ci),二(er)線(xian)製(zhi)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)對(dui)於(yu)熱(re)敏(min)電(dian)阻(zu)已(yi)經(jing)足(zu)夠(gou),所(suo)以(yi)這(zhe)種(zhong)接(jie)線(xian)方(fang)式(shi)在(zai)熱(re)敏(min)電(dian)阻(zu)中(zhong)最(zui)為(wei)常(chang)用(yong)。
NI SCXI-1102模塊與NI SCXI-1581電流激勵模塊一起使用,也可以提供32通道的熱敏電阻調理。
對於cDAQ模塊可選用AI采集的NI 9215配合提供電流激勵的NI 9265一起使用。NI 9215具有4路16位精度的同步電壓采集通道,能實現靈活而低成本的信號連接。該模塊還具有250Vrms通道-地麵接地隔離,實現了安全、抗幹擾和高共模電壓範圍。NI 9265是shi在zai高gao速su情qing況kuang下xia,連lian接jie並bing控kong製zhi受shou電dian流liu驅qu動dong的de工gong業ye激ji勵li器qi的de理li想xiang之zhi選xuan。該gai模mo塊kuai具ju有you內nei置zhi式shi開kai環huan檢jian測ce。當dang檢jian測ce到dao開kai環huan時shi,該gai模mo塊kuai會hui在zai軟ruan件jian中zhong產chan生sheng中zhong斷duan並bing產chan生sheng0mA的上電輸出,以確保安全,避免在係統上電時驅動激勵器。NI 9265需要9 V到36 V的外部電源。該模塊包括通道-地麵接地雙重隔離屏障,具有良好的安全性和抗幹擾性。
綜(zong)上(shang)所(suo)述(shu),熱(re)電(dian)偶(ou)價(jia)格(ge)便(bian)宜(yi),而(er)且(qie)有(you)很(hen)快(kuai)的(de)響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian),但(dan)是(shi)它(ta)精(jing)度(du)不(bu)高(gao)而(er)且(qie)最(zui)不(bu)穩(wen)定(ding),最(zui)不(bu)靈(ling)敏(min)。熱(re)電(dian)偶(ou)僅(jin)僅(jin)是(shi)讀(du)取(qu)頭(tou)和(he)線(xian)之(zhi)間(jian)的(de)溫(wen)度(du)差(cha)異(yi),而(er)RTD和熱敏電阻是讀取絕對溫度值。RTD是(shi)可(ke)靠(kao)性(xing)的(de)最(zui)佳(jia)選(xuan)擇(ze),而(er)且(qie)最(zui)為(wei)穩(wen)定(ding),精(jing)度(du)最(zui)高(gao)。但(dan)是(shi)它(ta)的(de)響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian)太(tai)長(chang)而(er)且(qie)因(yin)為(wei)它(ta)需(xu)要(yao)一(yi)個(ge)電(dian)流(liu)源(yuan),因(yin)此(ci)它(ta)有(you)自(zi)熱(re)產(chan)生(sheng)。熱(re)敏(min)電(dian)阻(zu)輸(shu)出(chu)很(hen)快(kuai)而(er)且(qie)相(xiang)對(dui)便(bian)宜(yi),但(dan)是(shi)它(ta)易(yi)碎(sui)而(er)且(qie)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)有(you)限(xian)。它(ta)同(tong)樣(yang)需(xu)要(yao)一(yi)個(ge)電(dian)流(liu)源(yuan)而(er)且(qie)比(bi)RTD的自熱現象更為嚴重,同時它是非線性的(表1)。
溫度範圍的選擇上三者也有區別,熱敏電阻和熱電阻是測量低溫的溫度傳感器,熱敏電阻最低,在500度以下,熱電阻在-200到600℃,而熱電偶是測量中高溫的溫度傳感器,一般測量溫度在400到1600℃,在選擇時如果測量溫度在600℃就應該選擇K型熱電偶,如果測量溫度在1200到1600℃就應該選擇S型或者B型熱電偶。
應變測量
應(ying)變(bian)是(shi)施(shi)加(jia)於(yu)物(wu)體(ti)的(de)作(zuo)用(yong)力(li)對(dui)物(wu)體(ti)造(zao)成(cheng)形(xing)變(bian)的(de)大(da)小(xiao),它(ta)會(hui)隨(sui)著(zhe)作(zuo)用(yong)力(li)的(de)增(zeng)加(jia)而(er)增(zeng)長(chang),對(dui)於(yu)一(yi)種(zhong)材(cai)料(liao),應(ying)力(li)的(de)增(zeng)長(chang)是(shi)有(you)限(xian)度(du)的(de),超(chao)過(guo)這(zhe)一(yi)限(xian)度(du),材(cai)料(liao)就(jiu)要(yao)損(sun)壞(huai),這(zhe)個(ge)限(xian)度(du)稱(cheng)為(wei)該(gai)種(zhong)材(cai)料(liao)的(de)極(ji)限(xian)應(ying)力(li)。
應變測量有多種方法,最常用的是采用應變片。由於受到應力,應變片發生形變(長度發生改變),從而導致其阻值也隨之產生正比變化。最常見的應變片是金屬應變片。
金屬應變片由極細的金屬絲或薄片組成,繞成柵狀的形式使它們可以在平行的方向上最大程度地跟隨應變發生變化(圖5)。zhagezhanzaibeichengweizaitidebochendishang,bingzhijieyubeiceshijianlianjie。yinci,beicejianchanshengdeyingbianzhijiefanyingdaoyingbianpianshang,shideyingbianpiandianzuzhichanshengxianxingbianhua。yingbianpiandezuzhizai30Ω到3000Ω,最常見的阻值標準是120Ω和350Ω。
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