熱電偶溫度傳感器

1、南昌航空大學(xué)課程論文南 昌 航 空 大 學(xué)課 程 論 文 題 目 熱電偶溫度傳感器 姓 名 學(xué) 號 1508408520316 姓 名 學(xué) 號 1508208520322 姓 名 學(xué) 號 1508081520330 專業(yè)年級 15級儀器儀表工程 2015年 12月 8日目 錄 1 熱電偶溫度傳感器的技術(shù)參數(shù)11.1 熱電偶、熱電阻分度號12 熱電偶溫度傳感器的工作原理12.1 溫度傳感器熱電阻測溫原理及材料22.2.溫度傳感器熱電阻的結(jié)構(gòu)23 熱電偶溫度傳感器的基礎(chǔ)指標(biāo)23.1 接觸熱電動勢23.2 溫差電動勢33.3 熱電偶回路總電動勢34 熱電偶溫度傳感器的設(shè)計指標(biāo)35 熱電偶溫度傳感器的

2、靜態(tài)指標(biāo)及動態(tài)指標(biāo)45.1 靜態(tài)指標(biāo)45.2 動態(tài)指標(biāo)56 熱電偶溫度傳感器的靜態(tài)及動態(tài)測試方法66.1 靜態(tài)測試方法66.2 動態(tài)測試方法77 熱電偶溫度傳感器的安全性及可靠性分析77.1 誤差來源分析77.2 補(bǔ)償方法研究8參考文獻(xiàn)9熱電偶溫度傳感器 摘 要 熱電偶是將溫度變化量轉(zhuǎn)換為熱電勢大小的熱電傳感器，是一種廣泛應(yīng)用的間接測量溫度的方法，即利用一些材料或元件的性能參數(shù)隨溫度而變化通過測量該性能參數(shù)，而得到被測溫度的大小本文中主要介紹利用熱電偶傳感器測溫的原理及系統(tǒng)設(shè)計。在論述測溫的同時，針對不足,提出了一種基于數(shù)值計算軟件化測溫方法，并給出了實現(xiàn)這種測溫的4個步驟，給出了相關(guān)電路、擬

3、合關(guān)系式和計算方法。為了是測溫精度更高，在此分析了誤差優(yōu)化方法，探討了誤差時間常數(shù)分析、非線性補(bǔ)償法及冷端溫度補(bǔ)償技術(shù)?！娟P(guān)鍵詞】熱電偶、軟件化、時間常數(shù)、非線性補(bǔ)償、冷端溫度補(bǔ)償Thermocouple temperature sensorAbstract Thermocouple is to convert temperature variation to the size of thermoelectric potential thermoelectric sensors, is a widely used method of indirectly measuring temperatu

4、re, it is using some of the material or component performance parameters with the temperature changes by measuring the performance parameters, and the size of the measured temperature in this article mainly introduces the use of the principle of thermocouple temperature sensor and system design. In

5、this paper the temperature at the same time, in view of the shortage, put forward a kind of based on numerical calculation software temperature measuring method, and gives the four steps of implementing the temperature measurement, gives the relevant circuit, fitting equation and calculation method.

6、 To be higher temperature measurement precision, optimization method in the analysis of the error, time constant error analysis, the nonlinear compensation method is discussed and the cold end temperature compensation technology.【Key words】 Thermocouple, software, time constant, nonlinear compensati

7、on, the cold end temperature compensationIII1 熱電偶溫度傳感器的技術(shù)參數(shù)1.1 熱電偶、熱電阻分度號目前,國內(nèi)生廠的熱電偶、 熱電阻產(chǎn)品的分度多采國際標(biāo)準(zhǔn),即熱電偶按照 IEC 2584 標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn),熱電阻按照 IEC 2751標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn),實現(xiàn)了與國際標(biāo)準(zhǔn)的接軌。今將各國熱電偶、 熱電阻分度號列表如下 ,供讀者參考 ,見表 1.1。名稱分度號國別國際IEC中國日本德國前蘇聯(lián)美國新舊新舊英國鉑銠 鉑SSLB-3S/PtRh-Pt鉑銠 鉑銠BBLL-2B/PtRh2Pt/鉑銠 鉑RR/RPR/P鎳鉻鎳硅KKEU-2KCA/XA鎳鉻銅鎳EEEA-2ECRCN

8、iCr2NiXK銅銅鎳TTCK-2TCC/鐵銅鎳JJ/JICCu2Konst鎳鉻硅鎳硅NN/Fe2Konst鉑電阻 Pt100Pt100Pt100BA1-46BA2-100Pt100J Pt100銅電阻 Cu50Cu50Cu50G53Cu50表1.1各國熱電偶、 熱電阻分度號列表2 熱電偶溫度傳感器的工作原理 將兩種不同的金屬導(dǎo)體焊接在一起 ， 構(gòu)成閉合回路 ， 如在焊接端 （ 即測量端 ） 加熱產(chǎn)生溫差 ， 則在回路中就會產(chǎn)生熱電動勢 ， 此種現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng) （ Seebeck-effect ） 。 如將另一端（即參考端）溫度保持一定（一般為 0 ） ，那么回路的熱電動勢則變成測量端溫度

9、的單值函數(shù)。這種以測量熱電 動勢的方法來測量溫度的元件，即兩種成對的金屬導(dǎo)體，稱為熱電偶。 熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢，其大小僅與熱電極材料及兩端溫差有關(guān)，與熱電極長度、直徑無關(guān)。圖2.1 熱電偶工作原理2.1 溫度傳感器熱電阻測溫原理及材料溫度傳感器熱電阻測溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測量的。溫度傳感器熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用甸、鎳、錳和銠等材料制造溫度傳感器熱電阻。2.2.溫度傳感器熱電阻的結(jié)構(gòu)精通型溫度傳感器熱電阻工業(yè)常用溫度傳感器熱電阻感溫元件（電阻體）的結(jié)構(gòu)及特點見表2-1-11。從溫度傳感器熱電阻的測溫原理可

10、知，被測溫度的變化是直接通過溫度傳感器熱電阻阻值的變化來測量的，因此，溫度傳感器熱電阻體的引出線等各種導(dǎo)線電阻的變化會給溫度測量帶來影響。為消除引線電阻的影響同般采用三線制或四線制。鎧裝溫度傳感器熱電阻鎧裝溫度傳感器熱電阻是由感溫元件（電阻體）、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅實體，如圖2-1-7所示，它的外徑一般為28mm，最小可達(dá)mm。與普通型溫度傳感器熱電阻相比，它有下列優(yōu)點：體積小，內(nèi)部無空氣隙，熱慣性上，測量滯后小；機(jī)械性能好、耐振，抗沖擊；能彎曲，便于安裝使用壽命長。端面溫度傳感器熱電阻端面溫度傳感器熱電阻感溫元件由特殊處理的電阻絲材繞制，緊貼在溫度計端面，其結(jié)構(gòu)如圖2-1-

11、8所示。它與一般軸向溫度傳感器熱電阻相比，能更正確和快速地反映被測端面的實際溫度，適用于測量軸瓦和其他機(jī)件的端面溫度。隔爆型溫度傳感器熱電阻隔爆型溫度傳感器熱電阻通過特殊結(jié)構(gòu)的接線盒，把其外殼內(nèi)部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發(fā)生的爆炸局限在接線盒內(nèi)，生產(chǎn)現(xiàn)場不會引超爆炸。隔爆型溫度傳感器熱電阻可用于BlaB3c級區(qū)內(nèi)具有爆炸危險場所的溫度測量。3 熱電偶溫度傳感器的基礎(chǔ)指標(biāo)3.1 接觸熱電動勢當(dāng)兩種電子密度不同的導(dǎo)體A與B接觸時,接觸面上就會發(fā)生電子擴(kuò)散,電子從電子密度高的導(dǎo)體流向密度低的導(dǎo)體。電子擴(kuò)散的速率與兩導(dǎo)體的電子密度有關(guān)并和接觸區(qū)的溫度成正比。設(shè)導(dǎo)體A和B的自由電子密度為N

12、A和NB,且NA>NB,電子擴(kuò)散的結(jié)果使導(dǎo)體A失去電子而帶正電,導(dǎo)體B則獲得電子而帶負(fù)電,在接觸面形成電場。這個電場阻礙了電子的擴(kuò)散,達(dá)到動平衡時,在接觸區(qū)形成一個穩(wěn)定的電位差,即接觸電勢,其大小為： 式中k玻耳茲曼常數(shù),k=1.38×10-23J/K; e電子電荷量,e=1.6×10-19C; T接觸處的溫度, K;NA,NB分別為導(dǎo)體A和B的自由電子密度。3.2 溫差電動勢 因?qū)w兩端溫度不同而產(chǎn)生的電動勢稱為溫差電勢。由于溫度梯度的存在,改變了電子的能量分布,高溫端(T)電子將向低溫端(T0)擴(kuò)散,致使高溫端因失去電子帶正電,低溫端因獲電子而帶負(fù)電。因而在同一導(dǎo)

13、體兩端也產(chǎn)生電位差,并阻止電子從高溫端向低溫端擴(kuò)散,于是電子擴(kuò)散形成動平衡,此時所建立的電位差稱為溫差電勢,它與溫度的關(guān)系為: 式中為湯姆遜系數(shù),表示溫差1所產(chǎn)生的電動勢值,其大小與材料性質(zhì)及兩端的溫度有關(guān)。3.3 熱電偶回路總電動勢導(dǎo)體A和B組成的熱電偶閉合電路在兩個接點處有兩個接觸電勢eAB(T)與eAB(T0),又因為T>T0,在導(dǎo)體A和B中還各有一個溫差電勢。所以閉合回路總熱電動勢EAB(T,T0)應(yīng)為接觸電動勢和溫差電勢的代數(shù)和,即:對于已選定的熱電偶,當(dāng)參考溫度恒定時,總熱電動勢就變成測量端溫度T的單值函數(shù),即: 4 熱電偶溫度傳感器的設(shè)計指標(biāo) 本系統(tǒng)使用鎳鉻鎳硅熱電偶，被測

14、溫度范圍為0655，冷端補(bǔ)償采用補(bǔ)償電橋法，采用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值。不平衡電橋由電阻R1、R2、R3（錳銅絲繞制）、Rcu（銅絲繞制）四橋臂和橋路穩(wěn)壓源組成，串聯(lián)在熱電偶回路中。Rcu與熱電偶冷端同處于±0,而R1=R2=R3=1，橋路電源電壓為4V，由穩(wěn)壓電源供電，Rs為限流電阻，其阻值因熱電偶不同而不同，電橋通常取在20時平衡，這時電橋的四個橋臂電阻R1=R2=R3=Rcu，a、b端無輸出。當(dāng)冷端溫度偏離20時，例如升高時，Rcu增大，而熱電偶的熱電勢卻隨著冷端溫度的升高而減小。Uab與熱電勢減小量相等，Uab與熱電勢迭加后輸出電勢

15、則保持不變，從而達(dá)到了冷端。實際電路中，從熱電偶輸出的信號最多不過幾十毫伏（<30mV），且其中包含工頻、靜電和磁偶合等共模干擾，對這種電路放大就需要放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗，因此宜采用測量放大電路。測量放大器又稱數(shù)據(jù)放大器、儀表放大器和橋路放大器，它的輸入阻抗高，易于與各種信號源匹配，而它的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流及輸入偏置電流小，并且溫漂較小。由于時間溫漂小，因而測量放大器的穩(wěn)定性好。由三運(yùn)放組成測量放大器，差動輸入端R1和R2分別接到A1和A2的同相端。輸入阻抗很高，采用對稱電路結(jié)構(gòu)，而且被測信號直接加到輸入端，從而保證了較強(qiáng)的抑制共模信

16、號的能力。A3實際上是一差動跟隨器，其增益近似為1。測量放大器的放大倍數(shù)為：AV=V0/（V2-V1），AV=RF/R（1+（Rf1+Rf2）/RW）。在此電路中，只要運(yùn)放A1和A2性能對稱（主要指輸入阻抗和電壓增益），其漂移將大大減小，具有高輸入阻抗和共模抑制比，對微小的差模電壓很敏感，適宜于測量遠(yuǎn)距離傳輸過來的信號，因而十分易于與微小輸出的傳感器配合使用。RW是用來調(diào)整放大倍數(shù)的外接電阻，在此用多圈電位器。實際電路中A1、A2采用低漂移高精度運(yùn)放OP-07芯片，其輸入失調(diào)電壓溫漂VIOS和輸入失調(diào)電流溫漂IIOS都很小，OP-07采用超高工藝和“齊納微調(diào)”技術(shù)，使其VIOS、IIOS、VI

17、OS和IIOS都很小，廣泛應(yīng)用于穩(wěn)定積分、精密加法、比校檢波和微弱信號的精密放大等。OP-07要求雙電源供電，使用溫度范圍070，一般不需調(diào)零，如果需要調(diào)零可采用RW進(jìn)行調(diào)整。A3采用741芯片，它要求雙電源供電，供電范圍為±（318）V，典型供電為±15V，一般應(yīng)大于或等于±5V，其內(nèi)部含有補(bǔ)償電容，不需外接補(bǔ)償電容。經(jīng)過測量放大器放大后的電壓信號，其電壓范圍為05V，此信號為模擬信號，計算機(jī)無法接受，故必須進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。實際電路中，選用ICL7109芯片。ICL7109是一種高精度、低噪聲、低漂移、價格低廉的雙積分型12位A/D轉(zhuǎn)換器。由于目前12位逐次逼近

18、式A/D轉(zhuǎn)換器價格較高，因此在要求速度不太高的場合，如用于稱重測壓力、測溫度等各種傳感器信號的高精度測量系統(tǒng)中時，可采用廉價的雙積分式12位A/D轉(zhuǎn)換器ICL7109。ICL7109主要有如下特性：（1）高精度（精確到1/212=1/4096）；（2）低噪聲（典型值為15VP-P）；（3）低漂移（<1V/）；（4）高輸入阻抗（典型值1012）；（5）低功耗（<20mW）；（6）轉(zhuǎn)換速度最快達(dá)30次/秒，當(dāng)采用3.58MHz晶振作振源時，速度為7.5次/秒；（7）片內(nèi)帶有振蕩器，外部可接晶振或RC電路以組成不同頻率的時鐘電路；（8）12位二進(jìn)制輸出，同時還有一位極性位

19、和一位溢出位輸出；（9）輸出與TTL兼容，以字節(jié)方式（分高低字節(jié)）三態(tài)輸出，并且具有VART掛鉤方式，可以用簡單的并行或串行口接到微處理系統(tǒng)；（10）可用RVNHOLD（運(yùn)行/保持）和STATUS（狀態(tài)）信號監(jiān)視和控制轉(zhuǎn)換定時；（11）所有輸入端都有抗靜電保護(hù)電路。5 熱電偶溫度傳感器的靜態(tài)指標(biāo)及動態(tài)指標(biāo)5.1 靜態(tài)指標(biāo) 由于離子鍍膜時NiCr與NiSi的成分不同于塊狀材料，導(dǎo)致薄膜熱電偶與絲式熱電偶的熱電特性不同，因此在使用NiC洲iSi薄膜熱電偶之前需要對其進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定。在用離子鍍方法沉積薄膜熱電偶的同時，在兩根長500 film，直徑為25 mm的石英玻璃管上分別同爐鍍制NiCrNiSi

20、薄膜熱電偶用作靜態(tài)標(biāo)定。為了盡量與實際使用情況相同，標(biāo)定時薄膜熱電偶的冷端也是用相同的NiCrNiSi絲引至冰點器，使其溫度恒為0。標(biāo)定是采用比較法完成的。根據(jù)使用溫度范圍不同，分別在HWSI型標(biāo)準(zhǔn)水槽(0100)、HWY型標(biāo)準(zhǔn)油槽(100"-300)、YG一3型臥式熱電偶檢定爐(300600)對薄膜熱電偶進(jìn)行標(biāo)定。在水槽和油槽中標(biāo)定時，薄膜熱電偶輸出是與二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的輸出進(jìn)行比較的；而在檢定爐標(biāo)定時，薄膜熱電偶輸出是與二等標(biāo)準(zhǔn)S型熱電偶的輸出進(jìn)行比較的。從50開始每隔50標(biāo)定一個點，一直標(biāo)定到要求的最大值600，其結(jié)果如表2和圖5.1所示。表5.1薄膜熱電偶輸出熱電勢E與熱端溫度

21、之間的關(guān)系圖5.1薄膜熱電偶靜態(tài)標(biāo)定曲線5.2 動態(tài)指標(biāo)NiC烈iSi薄膜熱電偶鍍制于沉積有絕緣膜的高速鋼基體表面上，因基體厚度相對于薄膜厚度來說非常大，故可視為半無限大物體，且處于一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程。并假定材料物理性能不隨溫度變化，因為傳感器使用溫度上限遠(yuǎn)低于薄膜及基體的熔化溫度。設(shè)熱量沿X方向(即垂直膜面向基體內(nèi)部方向)傳播，薄膜熱電偶膜層內(nèi)溫度分布函數(shù)為，基體內(nèi)溫度分布函數(shù)為，則薄膜熱電偶的導(dǎo)熱微分方程為 起始條件為 邊界條件為 基體的導(dǎo)熱微分方程為 起始條件為 邊界條件為 當(dāng)薄膜表面產(chǎn)生一溫度階躍時，即，為穩(wěn)態(tài)溫度，為一溫度常數(shù)，由式(1)及式(2)的共同起始條件及邊界條件求得式(1)

22、的特解為 式(5)中的系數(shù)K由式(4)確定。式(5)即為表面溫度產(chǎn)生一階躍時，薄膜熱電偶所測溫度隨時間的變化關(guān)系。令式(5)左端等于0368，并將各參數(shù)代入即可求出時間常數(shù)約為8.1us。6 熱電偶溫度傳感器的靜態(tài)及動態(tài)測試方法6.1 靜態(tài)測試方法靜態(tài)標(biāo)定又稱為分度，是確定熱電動勢與溫度對應(yīng)關(guān)系的方法，一般有純金屬定點法、比較法、黑體空腔法等幾種。 純金屬定點法是利用純金屬相變過程中的平衡點進(jìn)行分度的方法，這些平衡點在國際溫標(biāo)中規(guī)定了統(tǒng)一的溫度數(shù)值。比較法是將高級別標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和待檢熱電偶一起放置于均勻溫度場中并進(jìn)行比較的分度方法。該方法具有設(shè)備簡單易操作，測量電勢值，計算簡單、結(jié)果直觀，一次可

23、分度多只傳感器，標(biāo)準(zhǔn)器和被檢傳感器種類可以不同等優(yōu)點。比較法是目前最常用的標(biāo)定方法。 黑體空腔法，是在臥式電阻爐最高溫區(qū)的均勻溫場內(nèi)放置一個黑體空腔，空腔一端安放被檢熱電偶，另一端為標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)高溫計的測量窗口，使電阻爐恒定某一溫度點，用標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)高溫計測量黑體空腔底部的高亮溫度，同時測出被檢熱電偶的熱電動勢，黑體空腔法常用于高溫?zé)犭娕嫉姆侄?，分度時可以采取任意分度點，但是分度的準(zhǔn)確度受黑體空腔的發(fā)射率和標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)高溫計準(zhǔn)確度的影響，計算方法比較復(fù)雜。 恒溫槽中分度屬于比較法的一種，不同的是該方法可將待檢熱電偶放在恒溫槽中與標(biāo)準(zhǔn)儀器比較。例如，0300時，一般用標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計進(jìn)行比較。 成套分度是將被

24、檢熱電偶與顯示儀表配套連接，作為一個整體進(jìn)行分度，該方法可以確定熱電偶測量系統(tǒng)的綜合誤差。6.2 動態(tài)測試方法 對接觸式溫度傳感器的動態(tài)響應(yīng)時間進(jìn)行測試，其整個測試系統(tǒng)包括一套機(jī)械裝置、熱電偶、控制系統(tǒng)、接口電路及應(yīng)用LabVIEW平臺編制的配套軟件。其中，控制系統(tǒng)則包括自帶控制器的tRIO NI一9074及其配套數(shù)據(jù)采集卡NI一9223、數(shù)字IO卡NI一9403。通過數(shù)字IO卡控制電磁閥來控制系統(tǒng)機(jī)械裝置，使其觸發(fā)，數(shù)據(jù)采集卡實時對溫度傳感器的輸出進(jìn)行采集，采集到的測試數(shù)據(jù)經(jīng)過應(yīng)用軟件計算得出時間常數(shù)并顯示和儲存。測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6.1所示。圖6.1動態(tài)響應(yīng)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖7 熱電偶溫度

25、傳感器的安全性及可靠性分析7.1 誤差來源分析 （1）已定系統(tǒng)誤差：薄膜熱電偶材料不均引起的測溫誤差； （2）傳遞誤差：用比較法標(biāo)定熱電偶時，標(biāo)準(zhǔn)器也會存在一定的誤差； （3）熱電偶分度引起的溫度誤差：曲線擬合產(chǎn)生的非線性誤差； （4）補(bǔ)償導(dǎo)線引起的測溫誤差：中間溫度或中間導(dǎo)體帶來的誤差； 包括兩個部分：一是由于補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶冷端溫度不一致引起的；二是由于補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶熱電特性不同引起的。由于尺寸效應(yīng)，第二部分比較大。 根據(jù)誤差分析與處理理論，系統(tǒng)誤差按照代數(shù)和法合成，未定系統(tǒng)誤差及隨機(jī)誤差均按方根法合成。7.2 補(bǔ)償方法研究熱電偶電勢與電極材料及接點溫度有關(guān)。分度時一般都以 0為參考溫度

26、。實際測溫很難長時間保持該參考溫度，必須采取修正或補(bǔ)償措施。主要方法有： （1） 冰點器法。用清潔的水制成的冰屑和清潔的水相混合放在保溫瓶中，使水面略低于冰屑面，實現(xiàn)的冰點平衡溫度可以認(rèn)為是 0。 （2） 熱電動勢補(bǔ)正法。根據(jù)中間溫度定律，測得熱電動勢EAB （T , T n T0）加上E AB （T n , T0）就可得所需的電勢EAB（T, T n , T0）。EAB（T n , T0）的值可在分度表直接查出，或由實驗獲得。此方法應(yīng)用于測量熱電偶輸出為熱電勢的場合。 （3） 溫度修正法。該方法針對于直讀式溫度儀表。采用溫度補(bǔ)正法所帶來的誤差大于熱電勢修正法。 （4） 調(diào)儀表起始點法。在儀表開路的情況下，先將儀表起始溫度調(diào)至 Tn，相當(dāng)于實現(xiàn)給儀表EAB（T n , T0）。測溫時，根據(jù)中間溫度定律進(jìn)行折算。參考文獻(xiàn)1 Liu Yang，Wu Shuang，Zhao YonggangResearch and developing status on t