熱電偶溫度傳感器

第4講熱電偶溫度傳感器

教學(xué)目的與要求:掌握熱電偶、集成數(shù)字溫度傳感器的工作原理及使用方法教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn):難點(diǎn)：熱電偶的溫度補(bǔ)償方法。重點(diǎn)：熱電偶測(cè)溫傳感器的工作原理及應(yīng)用。一、熱電偶的特點(diǎn)溫度測(cè)量范圍寬性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠信號(hào)可以遠(yuǎn)傳和紀(jì)錄2.4.1熱電偶測(cè)溫原理二、熱電偶的分類(lèi)1按材料分類(lèi)廉價(jià)金屬鐵－康銅、銅－康銅、鎳鉻－考銅、……貴重金屬鉑銠10－鉑、鉑銠10－鉑銠6難熔金屬鎢錸系、鎢鉬系、……非金屬二碳化鎢－二碳化鉬、石墨＝碳化物……2按用途和結(jié)構(gòu)分類(lèi)普通工業(yè)類(lèi)直形、角形、錐形專(zhuān)用類(lèi)

消耗式熱電偶、多點(diǎn)式熱電偶、表面測(cè)溫?zé)犭娕既⒐ぷ髟韮煞N不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組合成如圖所示閉合回路，若導(dǎo)體A和B

的連接處溫度不同(設(shè)T＞T0)，則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說(shuō)回路中有電動(dòng)勢(shì)存在。這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)(ThermoelectricEffect)在1821年首先由西拜克（See-back）發(fā)現(xiàn)，所以又稱(chēng)西拜克效應(yīng)?；芈分兴a(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，叫熱電勢(shì)。熱電勢(shì)由兩部分組成，即溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)。熱電偶原理圖TT0AB冷端自由端參考端測(cè)量端工作端熱端1.接觸電勢(shì)Peltier電勢(shì)接觸電勢(shì)原理圖ＥAB(T)——導(dǎo)體A、B結(jié)點(diǎn)在溫度T時(shí)形成的接觸電動(dòng)勢(shì)；

e ——單位電荷，e=1.6×10-19C；

k ——波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K

；NA、NB

——導(dǎo)體A、B在溫度為T(mén)時(shí)的自由電子密度。接觸電勢(shì)的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。2.溫差電勢(shì)Thomson電勢(shì)溫差電勢(shì)原理圖ＥA(T，T0)—導(dǎo)體A兩端溫度為T(mén)、T0時(shí)形成的溫差電動(dòng)勢(shì)；

T，T0

—高低端的絕對(duì)溫度；

σA

—湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1℃時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)，例如在0℃時(shí)，銅的σ=2μV/℃。由導(dǎo)體材料A、B組成的閉合回路，其接點(diǎn)溫度分別為T(mén)、T0,如果T＞T0，則必存在著兩個(gè)接觸電勢(shì)和兩個(gè)溫差電勢(shì)，回路總電勢(shì)：T0TEAB(T)EAB(T0)EA(T,T0)EB(T,T0)AB3.回路總電勢(shì)NAT——導(dǎo)體A在結(jié)點(diǎn)溫度為T(mén)時(shí)的電子密度；

NAT0——導(dǎo)體A在結(jié)點(diǎn)溫度為T(mén)0時(shí)的電子密度；NBT——導(dǎo)體B在結(jié)點(diǎn)溫度為T(mén)時(shí)的電子密度；NBT0——導(dǎo)體B在結(jié)點(diǎn)溫度為T(mén)0時(shí)的電子密度；A——導(dǎo)體A的湯姆遜系數(shù)；B——導(dǎo)體B的湯姆遜系數(shù)。溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小，根據(jù)電磁場(chǎng)理論得由于NA、NB是溫度的單值函數(shù)在工程應(yīng)用中，常用實(shí)驗(yàn)的方法得出溫度與熱電勢(shì)的關(guān)系并做成表格，以供備查。由公式可得：熱電偶的熱電勢(shì)，等于兩端溫度分別為T(mén)和零度以及T0和零度的熱電勢(shì)之差?！?/p>

熱電偶回路熱電勢(shì)只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長(zhǎng)度、粗細(xì)無(wú)關(guān)。

只有用不同性質(zhì)的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)才能組合成熱電偶；相同材料不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，因?yàn)楫?dāng)A、B兩種導(dǎo)體是同一種材料時(shí)，ln(NA/NB)=0也即EAB(T，T0)=0三點(diǎn)結(jié)論：★

導(dǎo)體材料確定后，熱電勢(shì)的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使EAB(T0)=常數(shù)，則回路熱電勢(shì)EAB(T，T0)就只與溫度T有關(guān)，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測(cè)溫的原理?！?/p>

只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同，熱電偶的兩導(dǎo)體材料不同時(shí)才能有熱電勢(shì)產(chǎn)生。由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論其導(dǎo)體是否存在溫度梯度，回路中沒(méi)有電流(即不產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì))；反之，如果有電流流動(dòng)，此材料則一定是非均質(zhì)的，即熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極。1.均質(zhì)導(dǎo)體定律四、熱電偶回路的性質(zhì)（基本定律）

E總=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）=0三種不同導(dǎo)體組成的熱電偶回路一個(gè)由幾種不同導(dǎo)體材料連接成的閉合回路，只要它們彼此連接的接點(diǎn)溫度相同，則此回路各接點(diǎn)產(chǎn)生的熱電勢(shì)的代數(shù)和為零。(基爾霍夫定律)如圖，由A、B、C三種材料組成的閉合回路，則2.中間導(dǎo)體定律將第三種材料C接入由A、B組成的熱電偶回路，只要C這種材料兩端溫度相同，則熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)保持不變。即第三種導(dǎo)體C的引入對(duì)熱電偶回路的總電動(dòng)勢(shì)沒(méi)有影響。電位計(jì)接入熱電偶回路根據(jù)上述原理，可以在熱電偶回路中接入電位計(jì)E，只要保證電位計(jì)與連接熱電偶處的接點(diǎn)溫度相等，就不會(huì)影響回路中原來(lái)的熱電勢(shì)，接入的方式見(jiàn)下圖所示。ET0T0TET0T1T1T如果不同的兩種導(dǎo)體材料組成熱電偶回路,其接點(diǎn)溫度分別為T(mén)、Ta(如圖所示)時(shí),則其熱電勢(shì)為EAB(T,Ta)；當(dāng)接點(diǎn)溫度為T(mén)a、T0時(shí)，其熱電勢(shì)為EAB(Ta,T0)；當(dāng)接點(diǎn)溫度為T(mén)、T0時(shí)，其熱電勢(shì)為EAB(T,T0)，則BBA

Ta

T

T0

AAB

EAB（T,T0）=EAB（T,Ta）+EAB（Ta,T0）3.中間溫度定律EAB（T,T0）=EAB（T,0）+EAB（0,T0）

=EAB（T,0）－EAB（T0,0）

=EAB（T）－EAB（T0）

對(duì)于冷端溫度不是零度時(shí)，熱電偶如何分度表的問(wèn)題提供了依據(jù)。如當(dāng)Ta=0℃時(shí)，則：

EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）T0TEBA(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB如果任意兩種導(dǎo)體材料的熱電勢(shì)是已知的，它們的冷端和熱端的溫度又分別相等，如圖所示，它們相互間熱電勢(shì)的關(guān)系為導(dǎo)體C稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)電極4.標(biāo)準(zhǔn)電極定律熱電偶材料應(yīng)滿足：物理性能穩(wěn)定，熱電特性不隨時(shí)間改變；化學(xué)性能穩(wěn)定，以保證在不同介質(zhì)中測(cè)量時(shí)不被腐蝕；熱電勢(shì)高，導(dǎo)電率高，且電阻溫度系數(shù)??；便于制造；復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)。2.4.2,2.4.3熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu)

1．鉑銠10—鉑熱電偶（S型）分度號(hào)LB—3工業(yè)用熱電偶絲：Φ0.5mm，實(shí)驗(yàn)室用可更細(xì)些。正極：鉑銠合金絲,用90％鉑和10％銠(重量比)冶煉而成。負(fù)極：鉑絲。測(cè)量溫度：長(zhǎng)期：1300℃、短期：1600℃。特點(diǎn)：材料性能穩(wěn)定，測(cè)量準(zhǔn)確度較高；可做成標(biāo)準(zhǔn)熱電偶或基準(zhǔn)熱電偶。用途：實(shí)驗(yàn)室或校驗(yàn)其它熱電偶。測(cè)量溫度較高，一般用來(lái)測(cè)量1000℃以上高溫。在高溫還原性氣體中（如氣體中含CO、H2等）易被侵蝕，需要用保護(hù)套管。材料屬貴金屬，成本較高。熱電勢(shì)較弱。一、熱電偶常用材料

工業(yè)用熱電偶絲：

Φ1.2~2.5mm，實(shí)驗(yàn)室用可細(xì)些。正極：鎳鉻合金(用88.4～89.7％鎳、9～10％鉻，0.6％硅，0.3％錳，0.4～0.7％鈷冶煉而成)。負(fù)極：鎳硅合金(用95.7～97％鎳,2～3％硅,0.4～0.7％鈷冶煉而成)。測(cè)量溫度：長(zhǎng)期1000℃，短期1300℃。特點(diǎn)：價(jià)格比較便宜，在工業(yè)上廣泛應(yīng)用。高溫下抗氧化能力強(qiáng)，在還原性氣體和含有SO2，

H2S等氣體中易被侵蝕。復(fù)現(xiàn)性好，熱電勢(shì)大，但精度不如WRLB。

2．鎳鉻—鎳硅(鎳鋁)熱電偶（K型）分度號(hào)EU—2

工業(yè)用熱電偶絲：Ф1.2～2mm，實(shí)驗(yàn)室用可更細(xì)些。

正極：鎳鉻合金負(fù)極：考銅合金（用56％銅，44％鎳冶煉而成）。測(cè)量溫度：長(zhǎng)期600℃，短期800℃。特點(diǎn)：價(jià)格比較便宜，工業(yè)上廣泛應(yīng)用。在常用熱電偶中它產(chǎn)生的熱電勢(shì)最大。氣體硫化物對(duì)熱電偶有腐蝕作用?？笺~易氧化變質(zhì)，適于在還原性或中性介質(zhì)中使用。3．鎳鉻—考銅熱電偶（E型）分度號(hào)為EA—2正極：鉑銠合金（用70％鉑，30％銠冶煉而成）。負(fù)極：鉑銠合金（用94％鉑，6％銠冶煉而成）。測(cè)量溫度：長(zhǎng)期可到1600℃，短期可達(dá)1800℃。特點(diǎn)：

材料性能穩(wěn)定，測(cè)量精度高。還原性氣體中易被侵蝕。低溫?zé)犭妱?shì)極小，冷端溫度在50℃以下可不加補(bǔ)償。成本高。4．鉑銠30—鉑銠6熱電偶（B型）分度號(hào)為L(zhǎng)L—2（1）銥和銥合金熱電偶

如銥50銠—銥10釕熱電偶它能在氧化氣氛中測(cè)量高達(dá)2100℃的高溫。（2）鎢錸熱電偶

是60年代發(fā)展起來(lái)的，是目前一種較好的高溫?zé)犭娕?，可使用在真空惰性氣體介質(zhì)或氫氣介質(zhì)中，但高溫抗氧能力差。國(guó)產(chǎn)鎢錸-鎢錸20熱電偶使用溫度范圍300～2000℃分度精度為1％。（3）金鐵—鎳鉻熱電偶主要用在低溫測(cè)量，可在2～273K范圍內(nèi)使用，靈敏度約為10μV／℃。幾種持殊用途的熱電偶（4）鈀—鉑銥15熱電偶是一種高輸出性能的熱電偶，在1398℃時(shí)的熱電勢(shì)為47.255mV，比鉑—鉑銠10熱電偶在同樣溫度下的熱電勢(shì)高出3倍，因而可配用靈敏度較低的指示儀表，常應(yīng)用于航空工業(yè)。（5）鐵—康銅熱電偶，分度號(hào)TK

靈敏度高，約為53μV/℃，線性度好，價(jià)格便宜，可在800℃以下的還原介質(zhì)中使用。主要缺點(diǎn)是鐵極易氧化，采用發(fā)藍(lán)處理后可提高抗銹蝕能力。（6）銅—康銅熱電偶，分度號(hào)MK

熱電偶的熱電勢(shì)略高于鎳鉻-鎳硅熱電偶，約為43μV/℃。復(fù)現(xiàn)性好，穩(wěn)定性好，精度高，價(jià)格便宜。缺點(diǎn)是銅易氧化，廣泛用于20K～473K的低溫實(shí)驗(yàn)室測(cè)量中。常用的熱電偶材料熱電偶分度號(hào)熱電極材料

正極負(fù)極S鉑銠10純鉑R鉑銠13純鉑B鉑銠30鉑銠6K鎳鉻鎳硅T純銅銅鎳J鐵銅鎳N鎳鉻硅鎳硅E鎳鉻銅鎳1．工業(yè)用熱電偶

下圖為典型工業(yè)用熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖。它由熱電偶絲、絕緣套管、保護(hù)套管以及接線盒等部分組成。實(shí)驗(yàn)室用時(shí)，也可不裝保護(hù)套管，以減小熱慣性。工業(yè)熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖1－接線盒；2－保險(xiǎn)套管3―絕緣套管4―熱電偶絲12342.4.3常用熱電偶的結(jié)構(gòu)類(lèi)型鎧裝熱電偶

斷面如圖所示。它是由熱電偶絲、絕緣材料，金屬套管三者拉細(xì)組合而成一體。又由于它的熱端形狀不同，可分為四種型式如圖。優(yōu)點(diǎn)是小型化（直徑從12mm到0.25mm）、壽命、熱慣性小，使用方便。測(cè)溫范圍在1100℃以下的有：鎳鉻—鎳硅、鎳鉻—考銅鎧裝式熱電偶。2．鎧裝式熱電偶（又稱(chēng)套管式熱電偶）

鎧裝式熱電偶斷面結(jié)構(gòu)示意圖1—

金屬套管；2—絕緣材料；3—熱電極(a)—碰底型；(b)—不碰底型；(c)—露頭型；(d)—帽型用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣板上而形成薄膜裝熱電偶。如圖，其熱接點(diǎn)極薄(0.01～0.lμm)因此，特別適用于對(duì)壁面溫度的快速測(cè)量。安裝時(shí),用粘結(jié)劑將它粘結(jié)在被測(cè)物體壁面上。目前我國(guó)試制的有鐵—鎳、鐵—康銅和銅—康銅三種，尺寸為60×6×0.2mm;絕緣基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料紙等；測(cè)溫范圍在300℃以下；反應(yīng)時(shí)間僅為幾ms。3．快速反應(yīng)薄膜熱電偶4123快速反應(yīng)薄膜熱電偶1—熱電極2—熱接點(diǎn)3—絕緣基板4—引出線薄膜熱電偶一種測(cè)量鋼水溫度的熱電偶。

4．快速消耗微型熱電偶它是用直徑為Φ0.05～0.lmm的鉑銠10一鉑銠30熱電偶裝在U型石英管中，再鑄以高溫絕緣水泥，外面再用保護(hù)鋼帽所組成。這種熱電偶使用一次就焚化，但它的優(yōu)點(diǎn)是熱慣性小，只要注意它的動(dòng)態(tài)標(biāo)定，測(cè)量精度可達(dá)5～7℃。原因熱電偶熱電勢(shì)的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差，為保證輸出熱電勢(shì)是被測(cè)溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫度保持恒定；熱電偶分度表給出的熱電勢(shì)是以冷端溫度0℃為依據(jù)，否則會(huì)產(chǎn)生誤差。2.4.4冷端處理及補(bǔ)償為了使熱電偶的熱電勢(shì)與被測(cè)溫度呈單值函數(shù)關(guān)系，需要使熱電偶的冷端的溫度保持恒定或進(jìn)行其他處理。冷端的恒溫方式冷端的延伸冷端溫度波動(dòng)的自動(dòng)補(bǔ)償ABT1T2A’T0熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線接線圖E只要T1、T0不變，接入AˊBˊ后不管接點(diǎn)溫度T2如何變化，都不影響總熱電勢(shì)。這便是引入補(bǔ)償導(dǎo)線原理。EAB=EAB(T1)–EAB(T0)說(shuō)明：當(dāng)在原來(lái)熱電偶回路中分別引入與導(dǎo)體材料A、B同樣熱電特性的材料A′、B′(如圖)即引入所謂補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，當(dāng)EAA?(T2)=EBB?(T2)，則回路總電動(dòng)勢(shì)為T(mén)2B’T01.補(bǔ)償導(dǎo)線法P44/表2.4.2/一些常用的熱電偶材料盒補(bǔ)償導(dǎo)線情況如下：用普通室溫計(jì)算出參比端實(shí)際溫度TH，利用公式計(jì)算EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)例用銅-康銅熱電偶測(cè)某一溫度T，參比端在室溫環(huán)境TH中，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)EAB(T，TH)=1.999mV，又用室溫計(jì)測(cè)出TH=21℃,查此種熱電偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，與2.831mV對(duì)應(yīng)的熱端溫度T=68℃。注意:既不能只按1.999mV查表，認(rèn)為T(mén)=49℃，也不能把49℃加上21℃，認(rèn)為T(mén)=70℃。2.計(jì)算修正法利用不平衡電橋產(chǎn)生熱電勢(shì)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢(shì)的變化值。不平衡電橋由R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、RCu(銅絲繞制)四個(gè)橋臂和橋路電源組成。設(shè)計(jì)時(shí)，在0℃下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu)，此時(shí)Uab=0，電橋?qū)x表讀數(shù)無(wú)影響。T0UaUabEAB(T,T0)3.冷端補(bǔ)償器法（補(bǔ)償電橋法）冷端補(bǔ)償器的作用

mVEAB(T,T0)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3R注意：橋臂RCu必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。供電4V直流，在0～40℃或-20～20℃的范圍起補(bǔ)償作用。注意，不同材質(zhì)的熱電偶所配的冷端補(bǔ)償器，其中的限流電阻R不一樣，互換時(shí)必須重新調(diào)整。冷端補(bǔ)償器的作用

mVEAB(T,T0)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3R把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。這種辦法僅限于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用。為了避免冰水導(dǎo)電引起兩個(gè)連接點(diǎn)短路，必須把連接點(diǎn)分別置于兩個(gè)玻璃試管里，浸入同一冰點(diǎn)槽，使相互絕緣。4.冰點(diǎn)槽法（冰浴法）對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，不必全靠硬件進(jìn)行熱電偶冷端處理。例如冷端溫度恒定但不為0℃的情況，只需在采樣后加一個(gè)與冷端溫度對(duì)應(yīng)的常數(shù)即可。對(duì)于T0經(jīng)常波動(dòng)的情況，可利用熱敏電阻或其它傳感器把T0信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，按照運(yùn)算公式設(shè)計(jì)一些程序，便能自動(dòng)修正。后一種情況必須考慮輸入的采樣通道中除了熱電動(dòng)勢(shì)之外還應(yīng)該有冷端溫度信號(hào)，如果多個(gè)熱電偶的冷端溫度不相同，還要分別采樣，若占用的通道數(shù)太多，宜利用補(bǔ)償導(dǎo)線把所有的冷端接到同一溫度處，只用一個(gè)冷端溫度傳感器和一個(gè)修正T0的輸入通道就可以了。冷端集中，對(duì)于提高多點(diǎn)巡檢的速度也很有利。5.軟件處理法應(yīng)用實(shí)例——

恒溫爐控制器

控制器以89C51為控制核心，以電磁閥為驅(qū)動(dòng)部件，以及溫度采樣、熱電偶信號(hào)采樣、顯示等電路組成。

緩沖門(mén)固態(tài)繼電器熱電偶測(cè)溫電路熱電偶和A/D之間設(shè)計(jì)了保護(hù)電路。R6、R7起到限流作用，兩個(gè)穩(wěn)壓二極管VZ1和VZ2用于限壓。C8、C9、C10對(duì)熱電偶溫度信號(hào)進(jìn)行濾波。熱電偶溫度信號(hào)是微弱的mV信號(hào)，R8將熱電偶溫度信號(hào)與其他傳感器地隔離開(kāi)，從而去除干擾，提高測(cè)量精度。2.4.5熱電偶常用測(cè)溫線路測(cè)量單點(diǎn)溫度(見(jiàn)圖).測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間溫差(見(jiàn)圖).測(cè)量平均溫度(見(jiàn)圖).測(cè)量幾點(diǎn)溫度之和(見(jiàn)圖).測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間溫差反向連接方式測(cè)量平均溫度幾點(diǎn)溫度之和AD590是電流型溫度傳感器，接電阻?；居梅ǎ篈D590范圍：-55~+150°C分辨率：1mv/K9位溫度讀數(shù),讀寫(xiě)和完成溫度變換所需的電源可以由數(shù)據(jù)線提供而不需要外部電源DS18B20與單片機(jī)連接測(cè)溫范圍：-55~+125°C強(qiáng)上拉在溫度變換期內(nèi)向DS1820供電單線接口訪問(wèn)DS1820的協(xié)議protocol初始化單線總線上的所有處理均從初始化序列開(kāi)始?？偩€主機(jī)發(fā)出一復(fù)位脈沖然后釋放等待從屬器件送出存在