第六章熱電偶傳感器

2023/2/21第六章熱電偶傳感器及應(yīng)用熱電偶是工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器。它構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便，具有較高的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性，溫度測(cè)量范圍寬，在溫度測(cè)量中占有重要的地位。2主要內(nèi)容6.1熱電偶工作原理和結(jié)構(gòu)形式6.2熱電偶實(shí)用測(cè)溫線路和溫度補(bǔ)償6.3熱電偶溫度傳感器的應(yīng)用36.1熱電偶工作原理和結(jié)構(gòu)形式6.1.1工作原理1．熱電效應(yīng)將兩種不同成分的導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)閉合回路的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)分別置于不同的溫度場(chǎng)中時(shí)，回路中將產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為“熱電效應(yīng)”。1.兩種不同導(dǎo)體

2.接成閉合回路

3.兩個(gè)接點(diǎn)處溫度不同

熱電效應(yīng)

回路中會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。5熱電偶回路原理6熱電勢(shì)由兩部分組成兩種導(dǎo)體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導(dǎo)體稱為“熱電極”，產(chǎn)生的電勢(shì)則稱為“熱電勢(shì)”，熱電偶的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，一個(gè)稱為測(cè)量端（工作端或熱端），另一個(gè)稱為參考端（自由端或冷端）。一部分是兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)，另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)。7接觸電勢(shì)當(dāng)A和B兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時(shí)，由于兩者內(nèi)部單位體積的自由電子數(shù)目不同（即電子密度不同），因此，電子在兩個(gè)方向上擴(kuò)散的速率就不一樣。。假設(shè)導(dǎo)體A的自由電子密度大于導(dǎo)體B的自由電子密度，則導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的電子數(shù)要比導(dǎo)體B擴(kuò)散到導(dǎo)體A的電子數(shù)大。所以導(dǎo)體A失去電子帶正電荷，導(dǎo)體B得到電子帶負(fù)電荷。于是，在A、B兩導(dǎo)體的接觸界面上便形成一個(gè)由A到B的電場(chǎng)。6.1.2熱電偶基本定律

1.均質(zhì)導(dǎo)體定律：如果構(gòu)成熱電偶的兩種材料相同，不會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。

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(dǎo)體定律：斷開熱電偶回路，接入第三種導(dǎo)體，只要兩個(gè)新接入點(diǎn)等溫，則回路總熱電動(dòng)勢(shì)不變。

該定律說(shuō)明在冷端接入放大電路，不會(huì)影響結(jié)果。

3.標(biāo)準(zhǔn)電極定律：如果已知兩種導(dǎo)體分別對(duì)第三種導(dǎo)體的熱電動(dòng)勢(shì)，則前兩種導(dǎo)體之間的熱電動(dòng)勢(shì)可求。

4.中間溫度定律：如熱電偶在兩端接點(diǎn)溫度t、t0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為在兩端接點(diǎn)溫度t、tn時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為在兩端接點(diǎn)溫度tn、t0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為則：

根據(jù)該定律，熱電偶本身的導(dǎo)線如果不夠長(zhǎng)，可以用同樣性質(zhì)（同樣熱電特性）的補(bǔ)償導(dǎo)線加以延長(zhǎng)。延長(zhǎng)后的熱電動(dòng)勢(shì)與延長(zhǎng)線的中間溫度無(wú)關(guān)，只與延長(zhǎng)后的兩端溫度有關(guān)。6.1.3

熱電偶結(jié)構(gòu)形式及材料

對(duì)制成熱電偶的材料的要求：（1）溫度測(cè)量范圍廣，溫度線性度好，測(cè)量精確度高，輸出熱電動(dòng)勢(shì)大。（2）熱電性能穩(wěn)定。（3）物理化學(xué)性能好。不蒸發(fā)、抗氧化等。

我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶有六種：銅-康銅鎳鉻-考銅鎳鉻-鎳硅鎳鉻-鎳鋁鉑銠10-鉑鉑銠30-鉑銠6

非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶：鉑銠13-鉑鉑銠-銥等

發(fā)展中產(chǎn)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(jié)構(gòu)（1）熱電極（2）絕緣管（3）保護(hù)套管

(4)接線盒

二、熱電偶結(jié)構(gòu)2.鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu)（1）露端型（2）接殼型（3）絕緣型

(4)圓變截面型

(5)扁變截面型熱電極絕緣管保護(hù)套管接線盒121．普通型熱電偶普通型結(jié)構(gòu)熱電偶工業(yè)上使用最多，它一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成。普通型熱電偶按其安裝時(shí)的連接形式可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活動(dòng)法蘭連接、無(wú)固定裝置等多種形式。普通型熱電偶結(jié)構(gòu)圖13普通裝配型熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭14普通裝配型熱電偶的

結(jié)構(gòu)放大圖

接線盒引出線套管

固定螺紋

（出廠時(shí)用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端）

不銹鋼保護(hù)管

152．鎧裝型熱電偶鎧裝型熱電偶又稱套管熱電偶。它是由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅(jiān)實(shí)組合體.它可以做得很細(xì)很長(zhǎng)，使用中隨需要能任意彎曲。鎧裝型熱電偶的主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫端熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，機(jī)械強(qiáng)度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上，因此被廣泛用在許多工業(yè)部門中。16鎧裝型熱電偶結(jié)構(gòu)1—接線盒2—金屬套管3—固定裝置4—絕緣材料5—熱電極17鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長(zhǎng)達(dá)上百米薄壁金屬保護(hù)套管（鎧體）

BA絕緣材料鎧裝型熱電偶橫截面183．薄膜熱電偶用真空蒸鍍（或真空濺射）、化學(xué)涂層等工藝，將熱電極材料沉積在絕緣基板上形成的一層金屬薄膜。熱電偶測(cè)量端既小又薄（厚度可達(dá)0.01～0.1m），因而熱慣性小，反應(yīng)快，可用于測(cè)量瞬變的表面溫度和微小面積上的溫度。其結(jié)構(gòu)有片狀、針狀和把熱電極材料直接蒸鍍?cè)诒粶y(cè)表面上等3種。所用的電極類型有鐵-康銅、鐵鎳、銅-康銅、鎳鉻-鎳硅等。測(cè)溫范圍為?200～300℃。19鐵-鎳薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)1—測(cè)量接點(diǎn)2—鐵膜3—鐵絲4—鎳絲

5—接頭夾具6—鎳膜7—襯架204．表面熱電偶表面熱電偶是用來(lái)測(cè)量各種狀態(tài)的固體表面溫度的，如測(cè)量軋輥、金屬塊、爐壁、橡膠筒和渦輪葉片等表面溫度。此外還有測(cè)量氣流溫度的熱電偶、浸入式熱電偶等。216.2熱電偶實(shí)用測(cè)溫線路和溫度補(bǔ)償1．測(cè)量某點(diǎn)溫度的基本電路2．測(cè)量溫度之和—熱電偶串聯(lián)測(cè)量線路3．測(cè)量平均溫度—熱電偶并聯(lián)測(cè)量線路4．測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的溫度差6.2.1熱電偶實(shí)用測(cè)溫線路221．測(cè)量某點(diǎn)溫度的基本電路基本測(cè)量電路包括熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線、冷端補(bǔ)償器、連接用銅線、動(dòng)圈式顯示儀表。熱電偶基本測(cè)量電路232．測(cè)量溫度之和—熱電偶串聯(lián)測(cè)量線路將N支相同型號(hào)的熱電偶正負(fù)極依次相聯(lián)接若N支熱電偶的各熱電勢(shì)分別為E1、E2、E3、…EN，則總電勢(shì)為

=E1+E2+E3+…+EN=NE

串聯(lián)線路的總熱電勢(shì)為E的N倍，所對(duì)應(yīng)的溫度可由—t關(guān)系求得，也可根據(jù)平均熱電勢(shì)E在相應(yīng)的分度表上查對(duì)。24熱電偶串聯(lián)測(cè)量線路串聯(lián)線路的主要優(yōu)點(diǎn)是熱電勢(shì)大，精度比單支高；主要缺點(diǎn)是只要有一支熱電偶斷開，整個(gè)線路就不能工作，個(gè)別短路會(huì)引起示值顯著偏低。253．測(cè)量平均溫度—熱電偶并聯(lián)測(cè)量線路將N支相同型號(hào)熱電偶的正負(fù)極分別連在一起，如圖5-11所示。如果N支熱電偶的電阻值相等，則并聯(lián)電路總熱電勢(shì)等于N支熱電偶的平均值，即

=（E1+E2+E3+…+EN）/N

26熱電偶并聯(lián)測(cè)量線路274．測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的溫度差實(shí)際工作中常需要測(cè)量?jī)商幍臏夭?，可選用兩種方法測(cè)溫差，一種是兩支熱電偶分別測(cè)量?jī)商幍臏囟?，然后求算溫差；另一種是將兩支同型號(hào)的熱電偶反串聯(lián)接，直接測(cè)量溫差電勢(shì)，然后求算溫度。前一種測(cè)量較后一種測(cè)量精度差，對(duì)于要求精確的小溫差測(cè)量，應(yīng)采用后一種測(cè)量方法。286.2.2熱電偶的溫度補(bǔ)償熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)與兩端溫度有關(guān)。只有將冷端的溫度恒定，熱電勢(shì)才是熱端溫度的單值函數(shù)。由于熱電偶分度表是以冷端溫度為0℃時(shí)作出的，因此在使用時(shí)要正確反映熱端溫度，最好設(shè)法使冷端溫度恒為0℃。實(shí)際應(yīng)用中，熱電偶的冷端通?？拷粶y(cè)對(duì)象，且受到周圍環(huán)境溫度的影響，其溫度不是恒定不變的。291．冷端恒溫法（1）0℃恒溫法在實(shí)驗(yàn)室及精密測(cè)量中，通常把參考端放入裝滿冰水混合物的容器中，以便參考端溫度保持0℃，這種方法又稱冰浴法。（2）其他恒溫法將熱電偶的冷端置于各種恒溫器內(nèi)，使之保持恒定溫度，避免由于環(huán)境溫度的波動(dòng)而引入誤差。這類恒溫器可以是盛有變壓器油的容器，利用變壓器油的熱惰性恒溫，也可以是電加熱的恒溫器，這類恒溫器的溫度不為0℃，故最后還需對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端修正。302．補(bǔ)償導(dǎo)線法補(bǔ)償導(dǎo)線的作用是將熱電偶的冷端延長(zhǎng)到溫度相對(duì)穩(wěn)定的地方。只有當(dāng)冷端溫度恒定時(shí)，產(chǎn)生的熱電勢(shì)才與熱端溫度成單值函數(shù)關(guān)系。所謂補(bǔ)償導(dǎo)線，實(shí)際上是一對(duì)材料化學(xué)成分不同的導(dǎo)線，在0～1

500℃溫度范圍內(nèi)與配接的熱電偶有一致的熱電特性，價(jià)格相對(duì)要便宜。31補(bǔ)償導(dǎo)線連接示意圖32使用補(bǔ)償導(dǎo)線必須注意以下幾個(gè)問(wèn)題。（1）兩根補(bǔ)償導(dǎo)線與兩個(gè)熱電極的結(jié)點(diǎn)必須具有相同的溫度。（2）只能與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶配用，而且必須滿足工作范圍。（3）極性切勿接反，常用補(bǔ)償導(dǎo)線負(fù)極的顏色均為白色。333．計(jì)算修正法兩種方法解決了一個(gè)問(wèn)題，即設(shè)法使熱電偶的冷端溫度恒定。但是，冷端溫度并非一定為0℃，所以測(cè)出的熱電勢(shì)還是不能正確反映熱端的實(shí)際溫度。為此，必須對(duì)溫度進(jìn)行修正。344．電橋補(bǔ)償法計(jì)算修正法雖然很精確，但不適合連續(xù)測(cè)溫，為此，有些儀表的測(cè)溫線路中帶有補(bǔ)償電橋，利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢(shì)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度波動(dòng)引起的熱電勢(shì)的變化。35

電橋補(bǔ)償電路在橋路設(shè)計(jì)時(shí)，使R1=R2，并且R1、R2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(rèn)為其具有恒流特性366.3熱電偶溫度傳感器的應(yīng)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)利用熱電偶測(cè)量爐溫的誤差分析371．工作原理由毫伏定值器給出設(shè)定溫度的相應(yīng)毫伏值，如熱電偶的熱電勢(shì)與定值器的輸出值有偏差，則說(shuō)明爐溫偏離給定，此偏差經(jīng)放大器送入調(diào)節(jié)器，再經(jīng)過(guò)晶閘管觸發(fā)器去推動(dòng)晶閘管執(zhí)行器，從而調(diào)整爐絲的加熱功率，消除偏差，達(dá)到控溫的目的。常用爐溫測(cè)量采用的熱電偶測(cè)量系統(tǒng)圖382．由熱電偶放大器AD594構(gòu)成的熱電偶溫度計(jì)

39（1）AD59440工