自動檢測技術第7章--熱電偶傳感器課件

1、 第一節(jié) 熱電偶工作原理及基本定律第二節(jié) 熱電偶的材料、結構及種類第三節(jié) 熱電偶的冷端補償?shù)谒墓?jié) 熱電偶測溫電路第七章 熱電偶傳感器 熱電偶傳感器基于熱電效應原理而工作。屬于有源傳感器，使用時不需要外加電源，可以方便地測量爐子、管道中的氣體或液體溫度，也可以測量固體表面溫度。 熱電偶傳感器結構簡單、制造方便、測量范圍廣、精度高、慣性小、便于遠距離傳送。第一節(jié) 熱電偶工作原理及基本定律 1.兩種不同導體 2.接成閉合回路 3.兩個接點處溫度不同回路中會產生熱電動勢一、熱電效應 熱電動勢（電荷擴散）溫差電動勢: 同一導體上因兩端溫度不同引起。接觸電動勢: 兩種不同導體的接觸引起。熱電偶回路總電動勢

2、熱電偶回路中的溫差電動勢很小，忽略之，可得：（t0端以B為正）結論： 熱電偶回路中熱電動勢的大?。海?）取決于兩接點間的溫度差，（2）取決于兩種不同電極的材料。與電路形狀無關。如果冷端溫度t0不變，被測溫度t可通過溫差電動勢獲得。一、熱電偶基本定律1.均質導體定律 如果構成熱電偶的兩種材料相同，不會產生熱電動勢。利用該定律，可以檢查兩種熱電極材料是否相同，或一種熱電極材料是否均勻。2.中間導體定律 斷開熱電偶回路，接入第三種導體，只要兩個新接入點等溫，則回路總熱電動勢不變。該定律說明在冷端接入放大電路，不會影響結果。3.標準電極定律 如果已知兩種導體分別對第三種導體的熱電動勢，則前兩種導體之間

3、的熱電動勢可求。 則： 根據(jù)該定律，熱電偶本身的導線如果不夠長，可以用同樣性質（同樣熱電特性）的補償導線加以延長。延長后的熱電動勢與延長線的中間溫度無關，只與延長后的兩端溫度有關。4.中間溫度定律 如果熱電偶 在兩端接點溫度t、t0時的熱電動勢為 在兩端接點溫度t、tn時的熱電動勢為 在兩端接點溫度tn、t0時的熱電動勢為 第二節(jié) 熱電偶材料、結構及種類 對制成熱電偶的材料的要求： （1）溫度測量范圍廣，溫度線性度好，測量精確度高，輸出熱電動勢大。 （2）熱電性能穩(wěn)定。 （3）物理化學性能好。不蒸發(fā)、抗氧化等。 標準熱電偶有六種： 銅-康銅 鎳鉻-考銅 鎳鉻-鎳硅 鎳鉻-鎳鋁 鉑銠10-鉑 鉑

4、銠30-鉑銠6 非標準熱電偶： 鉑銠13-鉑 鉑銠-銥 等 發(fā)展中產品： 鎳鉻-康銅 鐵-康銅 一、熱電偶材料1.普通工業(yè)熱電偶的結構（1）熱電極（2）絕緣管（3）保護套管 (4) 接線盒熱電極絕緣管保護套管接線盒二、熱電偶結構鎧裝型熱電偶是將熱電偶絲,絕緣材料和金屬保護套管三者組合裝配后,經(jīng)過拉伸加工而成的一種堅實的組合體。鎧裝熱電偶具有能彎曲、耐高壓 、熱響應時間快和堅固耐用等許多優(yōu)點，它和工業(yè)用裝配式熱電偶一樣，作為測量溫度的傳感器，同時，亦可以作為裝配式熱電偶的感溫組件。 （1）露端型（2）接殼型（3）絕緣型（4）圓變截面型（5）扁變截面型2.鎧裝熱電偶的結構三、熱電偶種類1.標準型熱

5、電偶（1）鉑銠30-鉑銠6 分度號B 01700度 （2）鉑銠10-鉑 分度號S 0-1600度（3）鎳鉻-鎳硅 分度號K -200-1200度 (4) 鎳鉻-康銅 分度號E -200-900度 (5) 鐵-康銅 分度號J -200-750度 (6) 銅-康銅 分度號T -200-350度標準熱電偶的熱電動勢見表7-1。2.非標準型熱電偶 鉑銠系、銥銠系、鎢錸系熱電偶，用于高溫測量，可達2500度。鉑銠30-鉑銠6 分度號B 鉑銠30-鉑銠6熱電偶（B型熱電偶）為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規(guī)定為0.5mm，允許偏差為0.015mm，其正極的名義化學成分為鉑銠合金，其中含銠為30%，含鉑為70%，負

6、極為鉑銠合金，含銠為量6%，故俗稱雙鉑銠熱電偶。該熱電偶長期最高使用溫度為1600，短期最高使用溫度為1800。B型熱電偶具有準確度最高，穩(wěn)定性最好，測量溫區(qū)寬，使用壽命長，測溫上限高等優(yōu)點。適用于氧化性和惰性氣氛中，也可短期用于真空中，但不適用于還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸氣氣氛中。B型熱電偶一個明顯的優(yōu)點是不需用補償導線進行補償，因為在0-50范圍內熱電勢小于3V。B型熱電偶不足之處是熱電勢輸出較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，對污染敏感。由于貴金屬材料昂貴，因而一次性投資較大。 鉑銠10-鉑 分度號S 鉑銠10-鉑熱電偶（S型熱電偶）為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規(guī)定為0.5mm,允許偏差

7、為0.015mm，其正極的名義化學成分為鉑銠合金，其中含銠為10%，含鉑為90%，負極為純鉑，故俗稱單鉑銠熱電偶。該熱電偶長期最高使用溫度為1300，短期最高使用溫度為1600。S型熱電偶具有準確度最高，穩(wěn)定性最好，測量溫區(qū)寬，使用壽命長等優(yōu)點。它的物理，化學性能良好，熱電勢穩(wěn)定性及在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化性和惰性氣氛中。 鎳鉻-鎳硅 分度號K K型熱電偶是目前用量最大的廉金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和。K型熱電偶絲直徑一般為1.2-4.0mm。正極的名義化學成分為:Ni:Cr=90:10，負極的名義化學成分為:Ni:Si=97:3，其使用溫度范圍一般為-200到1200。 K型

8、熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜等優(yōu)點，能用于氧化性惰性氣氛中，所以廣泛為用戶所采用。 K型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛. 鎳鉻-康銅 分度號EE型熱電偶是一種廉金屬的熱電偶，正極為鎳鉻10合金，化學成分與KP相同，負極為銅鎳合金，名義化學成分為：55%的銅，45%的鎳以及少量的錳，鈷，鐵等元素。該熱電偶的 使用溫度范圍為-200到900。E型熱電偶的特點是輸出熱電動勢大，靈敏度高。適宜制成熱電堆，測量微小的溫度變化。對于高濕度氣氛的腐蝕不甚靈敏，可用于濕度較高的環(huán)境。它還具有

9、穩(wěn)定性好，價格便宜等優(yōu)點。它的抗氧化性能優(yōu)于銅-康銅、鐵-康銅熱電偶，廣泛用于氧化性和惰性氣氛的工作環(huán)境中。E型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性氣氛中，熱電勢均勻性較差。 鐵-康銅 分度號JJ型熱電偶又稱鐵-康銅熱電偶，也是一種價格低廉的廉金屬的熱電偶。它的正極的名義化學成分為純鐵，負極為銅鎳合金，常被含糊地稱之為康銅，其名義化學成分為：55%的銅和45%的鎳以及少量卻十分重要的錳，鈷，鐵等元素，盡管它叫康銅，但不同于鎳鉻-康銅和銅-康銅中的康銅，故不能用來替換。測量溫區(qū)為-200到1200，但通常使用的溫度范圍為0到750。J型熱電偶具有線性度好、熱電動勢輸出較大、靈敏度較高、穩(wěn)定性和均

10、勻性較好、價格便宜等優(yōu)點,廣為用戶所采用。 J型熱電偶可用于真空、氧化、還原和惰性氣氛中，但正極鐵在高溫下氧化較快，故使用溫度受到限制，也不能無保護地直接在高溫下用于硫化氣氛中。 銅-康銅 分度號TT型熱電偶又稱為銅-康銅熱電偶，它也是一種最佳的測量低溫的廉金屬熱電偶。其正極是純銅，負極為銅鎳合金，常稱之為康銅。T型熱電偶具有線性度好、熱電動勢較大、靈敏度較高、穩(wěn)定性和均勻性較好、價格便宜等優(yōu)點,特別適合在-2000溫區(qū)內使用。T型熱電偶的正極銅在高溫下抗氧化性能差，故使用溫度上限受到限制。 各類鎧裝熱電偶第三節(jié) 熱電偶的冷端補償一、冷端恒溫法 標準熱電偶的熱電動勢分度表是以冷端溫度為0度的條

11、件下給出的。只有在冷端溫度不變時，熱端溫度才能通過熱電動勢檢測出來。如果冷端溫度因環(huán)境而變化，會嚴重影響溫度測量數(shù)據(jù)的精度。因此在實際使用時，必須對冷端溫度的變化進行修正和補償。1.采用0度恒溫器，保持冷端溫度為0度。2.采用其他恒溫器，保持冷端溫度恒定。若不為0度，必須進行修正。二、補償導線法 利用與熱電偶熱電特性一致的補償導線，將熱電偶延伸到恒溫的冷端（如儀表室）。根據(jù)中間溫度定律，只要補償導線的兩個接點溫度一致，不會影響熱電動勢輸出。補償導線見圖，類型見表。三、計算修正法 冷端溫度不為0度時，測出的熱電勢不能正確反映熱端的實際溫度，需要進行計算修正，方法如下： 例如，用鎳鉻-鎳硅熱電偶測

12、爐溫，當冷端溫度為30 （且為恒定時），測出熱端溫度為時的熱電動勢為39.17，求爐子的真實溫度。 由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出（30，0）1.20，根據(jù)式（7-11）計算出：（t，t0）（39.17+1.20)40.37再通過分度表查出其對應的實際溫度為:977 計算修正法雖然很精確，但不適合連續(xù)測溫。為此，有些儀表的測溫線路中帶有補償電橋，利用不平衡電橋產生的電動勢補償熱電偶因冷端波動引起的熱電動勢的變化。下面以型溫度變送器的輸入回路為例加以說明。 型溫度變送器能與各種常用熱電偶配合使用，將溫度參數(shù)轉換成直流電流統(tǒng)一信號。其熱電偶輸入回路的簡化圖如圖所示。四、電橋補償法冷端熱端漆包銅電阻當

13、溫度升高阻值增大+-+-恒定電阻冷端升溫不變變大變小補償條件： 圖中，為熱電偶產生的熱電動勢，為回路的輸出電壓?；芈分写恿艘粋€補償電橋。及均為橋臂電阻。是用漆包銅絲繞制成的，它和熱電偶的冷端感受同一溫度。均用錳銅絲繞成，阻值穩(wěn)定。在橋路設計時，使，并且、的阻值要比橋路中其他電阻大得多。這樣，即使電橋中其他電阻的阻值發(fā)生變化，左右兩橋臂中的電流卻差不多保持不變，從而認為其具有恒流特性。線路設計使得0.5?；芈份敵鲭妷簽闊犭娕嫉臒犭妱觿?、橋臂電阻的壓降及另一橋臂電阻上的壓降三者的代數(shù)和，即: 當熱電偶的熱端溫度一定，冷端溫度升高時，熱電動勢將會減小。與此同時，銅電阻的阻值將增大，從而使增大，由此

14、達到了補償?shù)哪康?。自動補償?shù)臈l件應為: 式中，為熱電偶冷端溫度變化引起的熱電動勢的變化，它隨所用的熱電偶材料不同而異；為流過的電流，即0.5；為銅電阻的溫度系數(shù)，一般取0.00391；為熱電偶冷端溫度的變化范圍。 例如,在冷端溫度變化范圍050度情況下，鉑銠10-鉑熱電偶的e=0.299,電流I1=0.5mA,補償電阻的溫度系數(shù) =0.00391/ ,補償電阻大小可按補償條件選擇：五、采用PN結溫度傳感器作冷端補償 采用結溫度傳感器作冷端補償補償電路如圖所示。圖中，熱電偶產生的熱電動勢經(jīng)1放大后通過9加到3的反相端，二極管作為結溫度傳感器，與4、5、構成直流電橋，置于熱電偶的冷端處，當冷端不為

15、零時，橋路有一個不平衡電動勢輸出，經(jīng)2放大后通過10加到3的同相端，3的增益為，其輸出為熱電偶的熱電動勢與補償電動勢之和，從而達到了冷端溫度自動補償?shù)哪康?。當冷端溫度變化為時，補償精度可達0.5。六、采用集成溫度傳感器作冷端補償 TMP35的輸出經(jīng) R1與R2的分壓，R2上得到的壓降V2為冷端補償電壓，V1為熱電勢，Vo = V1 + V2 ,為經(jīng)補償后的輸出。圖中冷端補償采用TMP35，這是一種高精度的電壓型集成溫度傳感器，其主要特點是：工作電壓低，僅為2.75.5V；靜態(tài)電流小于50mA；外圍元件少，使用相當方便。TMP35的測溫范圍為+10+125C，正處于熱電偶的冷端變化范圍內，它的靈

16、敏度為10mV/C,在0C時輸出電壓為0V，當溫度為25C時，輸出電壓為250mV。這是采用該補償器的熱電偶測量電路，測溫范圍為0250C，用運放OP193作為放大器，相應的輸出電壓為02.5V（靈敏度為10mV/C）。圖中，經(jīng)TMP35補償后的輸出加到OP193的同相端，調節(jié)電位器RP1，改變放大器的增益，使溫度在250C時，輸出2.5V即可。 這是一個帶冷端補償及非線性校正的熱電偶測溫基本電路 冷端補償采用電流型集成溫度傳感器AD592,其輸出電流與絕對溫度成正比。在0時，AD592輸出電流為273.2A，靈敏度為1A/ 。 對于K型熱電偶，在25中心范圍，具有40.44V/的溫度系數(shù)。

17、AD592輸出電流在電阻Ra上轉換為補償電壓。當環(huán)境溫度為T時，適當調整Rw2，使得Ra上的壓降為： （273.2+T）A40.44 上式說明AD592可以提供40.44V/的冷端補償。 但當T為零時，熱電偶正極對地存在11.05mV的誤差電壓即,解決的方法是在運算放大器OP07的反相輸入部分加偏置電壓抵償。在電路中，通過AD538的4腳引出10V電壓，經(jīng)R1及R2分壓，由于R1=1.1，R2=10k，故R1上的壓降為11mV,從而引入了抵償電壓。 溫差電勢的近似表達式，可由切比雪夫(Chebyshev)展開式求得。(取到2次冪 ) 非線性校正部分: 測溫電路配用K型熱電偶，測溫范圍:0-60

18、0，要求相應的輸出電壓為0V-6V(6000mV)。 K型熱電偶0和600時的熱電勢分別為0mV和24.902mV ,測溫電路放大倍數(shù)應為:6000mV/24.902mv240.94。若電路為線性,被測溫度為300時,測溫電路的輸出電壓為:12.207mV240.94 2941.15mV3000mV,儀表的指示并不是300 .這是由熱電偶本身的非線性造成的。 利用高次多項式實現(xiàn)線性化。 熱電偶的溫差電勢可近似表示為： 將600時的溫差電勢Uin=24.902mV代入上式，得到輸出Uout=600mV，要得到滿量程時6V的輸出，將上式擴大10倍后得到： 由上式可驗證，300時，E=12.207mV，Uout=2991.6mV（相當于299.2）；600時，E=24.902mV，Uout=6001.2mV（相當于600.1）。從而完成了非線性校正。 式7-15就相當于給出了具有非線性校正的熱電偶測溫電路