熱電偶 溫度傳感器的設(shè)計(jì)

1、基于熱電偶的溫度傳感器 現(xiàn)代檢測技術(shù)課程主要內(nèi)容n熱電偶的基本原理；熱電偶的基本原理；n熱電偶的種類；熱電偶的種類；n熱電偶測溫補(bǔ)償方法；熱電偶測溫補(bǔ)償方法；n變送器的實(shí)現(xiàn)；變送器的實(shí)現(xiàn)； 1.熱電偶的基本原理工作原理：工作原理：u熱電勢效應(yīng)熱電勢效應(yīng)( (賽貝克效應(yīng)賽貝克效應(yīng)) )兩種不同材料的導(dǎo)體兩種不同材料的導(dǎo)體 a a 與與 b b，按圖所示的組合在一，按圖所示的組合在一起，如果兩結(jié)點(diǎn)的溫度不同，則在回路中就會有電起，如果兩結(jié)點(diǎn)的溫度不同，則在回路中就會有電勢產(chǎn)生，其電勢（電流）的大小與兩導(dǎo)體的性質(zhì)和勢產(chǎn)生，其電勢（電流）的大小與兩導(dǎo)體的性質(zhì)和結(jié)點(diǎn)的溫度有關(guān)。這種現(xiàn)象稱為結(jié)點(diǎn)的溫度有關(guān)

2、。這種現(xiàn)象稱為熱電勢效應(yīng)熱電勢效應(yīng)。u熱電勢熱電勢n接觸電勢接觸電勢n溫差電勢溫差電勢abt( )lnabnktabqnet 接觸電勢接觸電勢原理圖式中式中 :na、nb 導(dǎo)體導(dǎo)體a、b的自由電子密度（的自由電子密度（ nanb ） k波爾茲曼常數(shù)；波爾茲曼常數(shù)；1.3810-23j/k q 電子電量電子電量aea(t,to)totea(t，t0)導(dǎo)體a兩端溫度為t、t0時(shí)形成的溫差電動勢；t，t0高低端的絕對溫度； a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)生的溫差電動勢，例如在0時(shí)，銅的 =2v/。 溫差電勢00( ,)taatet tdt溫差電勢原理圖兩種導(dǎo)體的接觸電勢（珀?duì)栙N電勢）

3、a,b兩金屬在溫度兩金屬在溫度 t 時(shí)的接觸電勢時(shí)的接觸電勢eab(t): eab(t)=(kt/q)ln(na/nb) 式式中中 : na、nb a、b的自由電子的自由電子密度（密度（ nanb ） k波爾茲曼常數(shù)；波爾茲曼常數(shù)；1.3810-23j/k q 電子電子電量電量總的接觸電勢為：總的接觸電勢為： eab(t, t0）=k (t - t0) / qln( na / nb)兩種導(dǎo)體的溫差電勢（湯姆遜效應(yīng)）n設(shè)導(dǎo)體設(shè)導(dǎo)體 a 達(dá)到動態(tài)平衡時(shí)的溫差電勢為達(dá)到動態(tài)平衡時(shí)的溫差電勢為ea(t，t0），），導(dǎo)體導(dǎo)體 b 的溫差電勢為的溫差電勢為 eb(t，t0）。由）。由a，b兩導(dǎo)體組兩導(dǎo)體組

4、成的閉合電路成的閉合電路總溫差電勢總溫差電勢： 式中：式中：a、 b導(dǎo)體導(dǎo)體a，b的湯姆遜系數(shù)的湯姆遜系數(shù) tbttaabdtte)(),(00熱電偶熱電偶總熱總熱電勢電勢tttbabaabababdnnqttkttettette)()/ln(/ )(),(),(),(000001 1、 同種同種導(dǎo)體構(gòu)成的熱電偶導(dǎo)體構(gòu)成的熱電偶, ,即便即便 t t t t0 0。閉合回路中也閉合回路中也不會產(chǎn)生不會產(chǎn)生 熱熱電勢。因此，作為熱電偶，必須采用電勢。因此，作為熱電偶，必須采用兩種不同的導(dǎo)體兩種不同的導(dǎo)體作作熱極。熱極。2. 2. 熱電偶熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢大小，只決定于所產(chǎn)生的熱電勢大小，只決定

5、于熱電極材料的熱電極材料的成分成分和和兩兩結(jié)點(diǎn)溫度結(jié)點(diǎn)溫度，與熱電極的長度，直徑和接觸面的形狀、，與熱電極的長度，直徑和接觸面的形狀、大小無關(guān)。大小無關(guān)。當(dāng)當(dāng)t t=t0 t0 時(shí)，熱電勢為零。時(shí)，熱電勢為零。3. 3. 熱電偶熱電偶兩電極材料成分確定后，熱電勢大小只由兩結(jié)點(diǎn)溫兩電極材料成分確定后，熱電勢大小只由兩結(jié)點(diǎn)溫度決定，與電極中間溫度無關(guān)。若自由端溫度度決定，與電極中間溫度無關(guān)。若自由端溫度 t0 t0 保持一定，保持一定，熱電偶的熱電勢僅是測量端溫度熱電偶的熱電勢僅是測量端溫度 t t的的單值函數(shù)單值函數(shù)。即。即： e eabab(t(t， t t0 0）= = （t t）tttba

6、baabababdnnqttkttettette)()/ln(/ )(),(),(),(00000結(jié)論結(jié)論:n熱電偶應(yīng)用定律n中間導(dǎo)體定律n中間溫度定律n標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體（電極）定律tabt0abtc 在熱電偶測溫回路內(nèi)，接入第三種導(dǎo)體時(shí)，只要第三種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響。中間導(dǎo)體定律 應(yīng)用：利用熱電偶進(jìn)行測溫，必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表，接入導(dǎo)線和儀表后不會影響回路中的熱電勢。c0ab00( ,)( )()( ,)abababet tetetet t 若三個(gè)接點(diǎn)的溫度均為t0，則回路的總熱電勢為 eabc（t0）= eab(t0)+ ebc(t0)+ eca(t0)=0

7、若a、b接點(diǎn)溫度為t，其余接點(diǎn)溫度為t0，且t t0，則回路的總熱電勢為 eabc（t，t0）= eab(t)+ ebc(t0)+ eca(t0) 因?yàn)閑ab(t0)=-ebc(t0)+ eca(t0) 所以 eabc（t，t0）= eab(t)- eab(t0)中間導(dǎo)體定律測量儀表及引線作為第三種導(dǎo)體的熱電偶回路 中間溫度定律eab(t,t0)=eab(t,tc)+eab(tc,t0) 在熱電偶測溫回路中，tc為熱電極上某一點(diǎn)的溫度，熱電偶ab在接點(diǎn)溫度為t、t0時(shí)的熱電勢eab(t, t0)等于熱電偶ab在接點(diǎn)溫度t、tc和tc、t0時(shí)的熱電勢eab(t, tc)和eab(tc, t0)的

8、代數(shù)和，即 中間溫度定律 中間溫度定律的應(yīng)用 根據(jù)這個(gè)定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導(dǎo)體a和b ，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱電偶回路中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)。 該定律是參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)。在實(shí)際熱電偶測溫回路中, 利用熱電偶這一性質(zhì), 可對參考端溫度不為0的熱電勢進(jìn)行修正。標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體（電極）定律0c0c0( ,)( ,)( ,)ababet tet tet t標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體定律的意義n通常選用高純鉑絲作標(biāo)準(zhǔn)電極n只要測得它與各種金屬組成的熱電偶的熱電動勢，則各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動勢就可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極定律計(jì)算出來。 例子n熱端為100，冷端為0時(shí)，鎳鉻合金

9、與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為2.95mv，而康銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為4.0mv，則鎳鉻和康銅組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢應(yīng)為：n2.95(4.0)=6.95(mv)熱電偶的分度表n不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動勢之間有不同的函數(shù)關(guān)系，一般通過實(shí)驗(yàn)的方法來確定，并將不同溫度下測得的結(jié)果列成表格，編制出熱電勢與溫度的對照表，即分度表。 例子 用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=30，測得熱電勢eab（t，t0）為33.29mv, 求加熱爐溫度。 查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得eab（30，0）1.203 mv?？傻?eab（t，0）= eab(t,t0)+eab(t0,

10、0)=33.29+1.203=34.493mv由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得t=829.8。 2.熱電偶的種類 按材料：按材料： 廉金屬廉金屬 貴金屬貴金屬 難熔金屬難熔金屬 非金屬非金屬按用途和結(jié)構(gòu)：按用途和結(jié)構(gòu)： 1. 普通工業(yè)用：普通工業(yè)用： 直直形形 角形角形 錐形錐形 2. 專用專用 ： 鍇裝（纜式）鍇裝（纜式） 薄膜（薄膜（cpu 測溫片測溫片）熱電偶材料及標(biāo)準(zhǔn)熱電偶n所謂標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，是指工藝比較成熟，應(yīng)用廣泛，性能優(yōu)良，同一型號可以互換，統(tǒng)一分度，并有配套顯示儀表。n標(biāo)準(zhǔn)熱電偶有：鉑銠-鉑、鎳鉻-鎳鋁、鎳鉻-康銅（cu-56%, ni-44%）、鎳鉻-康銅（cu-60%, ni-40

11、%）等。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要性能和特點(diǎn) 熱電偶名稱正熱電極負(fù)熱電極分度號測溫范圍特點(diǎn)鉑銠30鉑銠6鉑銠30鉑銠6b01700（超高溫）適用于氧化性氣氛中測溫，測溫上限高，穩(wěn)定性好。在冶金、鋼水等高溫領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。鉑銠10鉑鉑銠10純鉑s01600（超高溫）適用于氧化性、惰性氣氛中測溫，熱電性能穩(wěn)定，抗氧化性強(qiáng)，精度高，但價(jià)格貴、熱電動勢較小。常用作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶或用于高溫測量。鎳鉻鎳硅鎳鉻合金鎳硅k2001200（高溫）適用于氧化和中性氣氛中測溫，測溫范圍很寬、熱電動勢與溫度關(guān)系近似線性、熱電動勢大、價(jià)格低。穩(wěn)定性不如b、s型熱電偶，但是非貴金屬熱電偶中性能最穩(wěn)定的一種。鎳鉻康銅鎳鉻合金銅鎳合金

12、e200900（中溫）適用于還原性或惰性氣氛中測溫，熱電動勢較其他熱電偶大，穩(wěn)定性好，靈敏度高，價(jià)格低。鐵康銅鐵銅鎳合金j200750（中溫）適用于還原性氣氛中測溫，價(jià)格低，熱電動勢較大，僅次于e型熱電偶。缺點(diǎn)是鐵極易氧化。銅康銅銅銅鎳合金t200350（低溫）適用于還原性氣氛中測溫，精度高，價(jià)格低。在2000可制成標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。缺點(diǎn)是銅極易氧化。n其中鉑銠10-鉑熱電偶屬于貴金屬，它被規(guī)定為6301064的測溫標(biāo)準(zhǔn)，但它的靈敏度較低（100 時(shí)為0.643mv)；n鎳鉻-鎳鋁（鎳鉻-鎳硅）是非貴重金屬中性能最穩(wěn)定的一種，因此應(yīng)用最廣。電極制作得較粗（約 3 mm），因而使用壽命長、強(qiáng)度高等。它

13、的熱電勢也較高（100 時(shí)為4.1mv)；n鎳鉻-康銅的熱電勢最大（ 100 時(shí)為6.95mv),但它的測量溫度上限不高（ 900 ），電極材料的成分不容易保證。 3. 熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償 當(dāng)熱端溫度為t 時(shí)，分度表所對應(yīng)的熱電勢eab(t, 0)與熱電偶實(shí)際產(chǎn)生的熱電勢eab(t,t0)之間的關(guān)系可根據(jù)中間溫度定律得到下式： eab(t,0)= eab(t,t0)+eab(t0，0) 由此可見，eab(t0，0)是冷端溫度t0的函數(shù)，因此需要對熱電偶冷端溫度進(jìn)行處理。 熱電偶一般做得較短， 一般為3502000mm。在實(shí)際測溫時(shí)，需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場數(shù)十米遠(yuǎn)的控制室里的

14、顯示儀表或控制儀表，這樣, 冷端溫度t0比較穩(wěn)定。關(guān)于熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線 解決辦法：工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線。在0100溫度范圍內(nèi)，要求補(bǔ)償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。 設(shè)設(shè)熱電偶測量端溫度熱電偶測量端溫度為為t，自由端溫度自由端溫度為為t0 （ 0 ），）， 根據(jù)根據(jù)中間溫度定律中間溫度定律： e（t，0）=e（t，t0）+e（ t0，0） 知道自由端的知道自由端的溫度溫度t0 t0 ，查出熱電勢值，查出熱電勢值e e（ t0 t0 ,0,0）, ,與實(shí)測與實(shí)測的熱電勢值的熱電勢值e e（t, t0 t, t0 ）相加，得出測量端溫度）相加，得出測量端溫度 t t，自由端自由端溫度為溫度為

15、0 0 時(shí)的熱電勢值時(shí)的熱電勢值 e e（t t，0 0），最后再由熱電偶分度），最后再由熱電偶分度表查出被測介質(zhì)的真實(shí)溫度。表查出被測介質(zhì)的真實(shí)溫度。 1、計(jì)算修正法為減少一次查表，工程上常采用這種方法：為減少一次查表，工程上常采用這種方法： t= t + kt0式中式中 ： t被測真實(shí)溫度；被測真實(shí)溫度； t由由e ( t, t0 ) 值查分度表得出的溫度；值查分度表得出的溫度； t0冷端恒定溫度；冷端恒定溫度； k修正系數(shù)修正系數(shù)2、 自由端溫度恒溫法n將熱電偶自由端置于將熱電偶自由端置于0 的恒溫容器中。的恒溫容器中。n最簡易的辦法是在保溫瓶中裝入冰水混合液，但只最簡易的辦法是在保溫瓶

16、中裝入冰水混合液，但只適用于室內(nèi)適用于室內(nèi)。n一般工程測量或控制常采用的方法：一般工程測量或控制常采用的方法：a.將自由端埋入地下將自由端埋入地下 1.5m 2m 深處，使其溫度相對保持恒定。深處，使其溫度相對保持恒定。b.將自由端放入電熱恒溫箱內(nèi)。將自由端放入電熱恒溫箱內(nèi)。c.將自由端放入裝有變壓器油的保溫瓶內(nèi)將自由端放入裝有變壓器油的保溫瓶內(nèi)。3、電橋補(bǔ)償法g電橋補(bǔ)償法補(bǔ)償電路圖補(bǔ)償導(dǎo)線銅導(dǎo)線bacdtt0er5r4r1r3r2abt0電橋補(bǔ)償原理n電橋中電橋中 r4 r4 是具有正溫度系數(shù)的電阻，其它為固是具有正溫度系數(shù)的電阻，其它為固定電阻。當(dāng)冷端為定電阻。當(dāng)冷端為00時(shí)，使電橋平衡。時(shí)，使電橋平衡。n當(dāng)當(dāng)冷端冷端t0t0為一恒定溫度時(shí)為一恒定溫度時(shí)( (假定這個(gè)恒定溫度不假定這個(gè)恒定溫度不是是0)0)，若若t0