熱電偶傳感器的應用與發(fā)展

熱電偶傳感器的應用與發(fā)展引文工作原理在大量的熱工儀器中，熱電偶作為溫度傳感器，得到了廣泛使用。它是利用熱電效應來進行工作的，其熱電勢率一般為幾十到幾μV/℃。所謂的熱電效應，是指當受熱物體中的電子（洞），因隨著溫度梯度由高溫區(qū)往低溫區(qū)移動時，所產(chǎn)生電流或電荷堆積的一種現(xiàn)象。熱電偶是將兩種不同成份的導體，兩端經(jīng)焊接，形成回路，直接測量端叫工作端（熱端），接線端子端叫冷端。當熱端和冷端存在溫差時，就會在回路里產(chǎn)生熱電流，接上顯示儀表，儀表上就會指示所產(chǎn)生的熱電動勢的對應溫度值。電動勢隨溫度升高而增長。由于熱電偶直接和被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響，因而測量精度高，并且可以在-200～+1600℃范圍內(nèi)進行連續(xù)測量，甚至有些特殊熱電偶，如鎢-錸，可測量高達+2800℃的高溫，且構(gòu)造簡單，使用方便。但是，熱電偶只產(chǎn)生毫伏（mV）級輸出，且需冷接點補償（CJC）技術(shù)，延長時需補償導線。補償原理利用熱電偶傳感器測量溫度時，冷端溫度的影響是不可忽略的，且熱電偶冷端暴露于作業(yè)環(huán)境中，可以認為冷端溫度與作業(yè)環(huán)境溫度一致。作業(yè)環(huán)境溫度隨季節(jié)氣候變化而變化，因此冷端溫度的測定是動態(tài)測定，冷端電勢補償是動態(tài)補償。在熱電偶冷熱端電勢關(guān)系中，有如下公式存在：EAB(t，0)=EAB(t，tn)+EAB(tn，0)其中，t為實測溫度；tn為冷端溫度；EAB（t，0）為冷端溫度為0℃時，熱電偶電勢輸出；EAB(t，tn)為冷端溫度為tn℃時，熱電偶電勢輸出；EAB(tn，0)為冷端補償電勢。上式中，EAB(t，tn)可直接從熱電偶輸出中檢測到，只要獲取冷端溫度tn，就可以由分度表換算出EAB(tn，0)，進而求出EAB(t，0)。于是完成了冷端電勢補償，并可換算出實測溫度t。圖1熱電偶原理圖結(jié)構(gòu)與分類工業(yè)熱電偶作為測量溫度的傳感器，通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用，它可以直接測量各種生產(chǎn)過程中0~1800℃范圍的液體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體表面的溫度。裝配式熱電偶是由感溫元件（熱電偶芯）、不銹鋼保護管、接線盒以及各種用途的固定裝置組成。鎧裝式熱電偶比裝配式熱電偶具有外徑小、可任意彎曲、抗震性強等特點。適宜安裝在裝配式熱電偶無法安裝的場合，它的外保護管采用不同材料的不銹鋼管（適合不同使用溫度的需要），內(nèi)充滿高密度氧化物質(zhì)絕緣體，非常適合安裝在環(huán)境惡劣的場合。隔爆式熱電偶通常用于生產(chǎn)現(xiàn)場伴有各種易燃、易爆等化學氣體。如果使用普通熱電偶極易引起環(huán)境氣體爆炸，因此在這種場合必須使用隔爆熱電偶，隔爆熱電偶適用在dⅡBT1—6及dⅡCT1—6溫度組別區(qū)間內(nèi)具有爆炸性氣體的危險場所內(nèi)。熱電偶的主要種類區(qū)別在其熱電偶芯（兩根偶絲）的材質(zhì)不同而不同，它所輸出的電動勢也不同，熱電偶主要有以下幾種：名稱型號（代號）分度號測溫范圍（℃）允許偏差（℃）鎳鉻-鎳硅WRNK0—1200±2.5或0.75%︱t︱鎳鉻-銅鎳WREE0—900±2.5或0.75%︱t︱鉑銠10-鉑WRPS0—1600±1.5或0.25%︱t︱鉑銠30-鉑銠6WRRB600—1700±1.5或0.25%︱t︱銅-銅鎳WRCT-40—350±1.0或0.75%︱t︱鐵-銅鎳WRFJ-40—750±2.5或0.75%︱t︱說明：表中“t”為實測溫度；代號后加“K”字即為鎧裝式熱電偶。圖2電偶的溫度特性與賽貝克系數(shù)走向圖2給出了8種常用熱電偶電壓-溫度曲線。鐵、鉑、銠、銅、阿留邁合金（鎳鋁合金）、克露美爾合金（鎳鉻合金）和康銅（銅鎳合金）最為常用。如圖2所示，E型熱電偶最靈敏，對給定溫度變化能產(chǎn)生最大輸出電壓，而B型測溫范圍最寬，K型線性最佳。研究現(xiàn)狀與前景研究現(xiàn)狀熱電偶傳感器種類繁多，結(jié)構(gòu)多樣，測量范圍寬，因此在工程測溫上使用極為廣泛。鉑銠10-鉑熱電偶以其使用溫度高、穩(wěn)定性好，在IPTS-68溫標中作為溫標的內(nèi)插儀器。隨著科學技術(shù)的進步，人們發(fā)現(xiàn)由于內(nèi)在缺陷，鉑銠10-鉑熱電偶的測量精度不能超過±0.2℃，并且偏離熱力學溫度也比較大，因此在新溫標ITS-90中，鉑銠10-鉑熱電偶不再是溫標的內(nèi)插儀器。但是熱電偶在測溫領(lǐng)域中的發(fā)展并沒有因此而停止，對熱電偶新材料和新結(jié)構(gòu)的研究更加深入，并取得了可喜的進展。在人們開始對鉑銠10-鉑熱電偶進行研究時就發(fā)現(xiàn)，在實際應用中鉑銠10-鉑熱電偶測量溫度值與溫差熱電勢的關(guān)系不是單一的函數(shù)關(guān)系，而與熱電偶絲所處環(huán)境的溫度梯度有關(guān)。換句話說如果將熱電偶的測溫端和參考端都放在恒溫器中，改變熱電偶測溫端和參考端之間溫場的分布，測量所得到的溫差熱電勢也隨之改變。我們把這種現(xiàn)象叫做熱電偶的不均勻現(xiàn)象。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要有兩個，一是熱電偶絲材存在著應力，應力使得熱電偶絲材金屬的熱電特性改變，通過足夠時間的退火可以消除此項的影響；二是熱電偶絲材成分的不均勻，這個問題是在熱電偶絲材的制造過程中產(chǎn)生的，因為多數(shù)熱電偶的材料是采用合金材料，在材料的熔煉配置過程中，很難使得生產(chǎn)出來的熱電偶絲每一段的成分都一樣，并且在制造成型后，更無法改變它的成分的均勻性。要從根本上解決熱電偶不均勻性帶來問題，必須從熱電偶的材料入手，各國目前都著手研究使用純金屬材料來制作熱電偶。因為純金屬制成的熱電偶材料可從根本上解決因材料不均勻而引起的熱電偶不均勻問題。目前金/鉑熱電偶,鉑/鈀熱電偶是各國研究的熱點。除了在熱電偶材料上改進外，人們對熱電偶的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)也進行了探索。傳統(tǒng)的熱電偶在結(jié)構(gòu)上將熱電偶電極的兩種金屬材料直接焊接在一起而構(gòu)成測溫端，使用雙孔絕緣管(通常為氧化鋁)將其隔離，人們發(fā)現(xiàn)在將熱電偶放入較高溫度時，由于構(gòu)成熱電偶兩極的金屬材料的熱膨脹系數(shù)不同，而雙孔絕緣管又將熱電偶兩極卡住，這樣使得熱電偶的測溫端產(chǎn)生了機械應力，這些機構(gòu)應力勢必產(chǎn)生附加熱電勢。為了消除機械應力的影響，人們在熱電偶的測溫端做了改進，在熱電偶的測溫端不將正負電極直接焊接上，而用應力消除圈將熱電偶的正負電極連接起來，這樣在熱電偶測溫時由其兩極金屬材料的熱膨脹系數(shù)差異而產(chǎn)生的機械應力將得到基本消除。發(fā)展方向國內(nèi)外的許多研究機構(gòu)和制造商，根據(jù)工業(yè)過程自動化的檢測和控制要求，不斷設計和制造出許多新的熱電偶，目前的發(fā)展趨勢大致如下:產(chǎn)品結(jié)構(gòu)鎧裝化鎧裝熱電偶具有壽命長、可彎曲、熱響應時間小、耐震動等的優(yōu)點，倍受用戶青睞。它將逐步地代替過去用絕緣瓷珠穿絲的裝配結(jié)構(gòu)型式。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)安裝套管化由于熱電偶檢測元件實現(xiàn)了鎧裝化，因此可以做到整機與套管分離成兩部分，用戶可以預先將套管安裝在工業(yè)過程設備上，熱電偶可以在不停機的情況下安裝或拆卸，設備中的介質(zhì)不泄漏，既可靠又安全。檢測、信號轉(zhuǎn)換和現(xiàn)場顯示一體化隨著電子產(chǎn)品的小型化，原來作為直流4～20mA或1～5V標準信號傳輸?shù)臒犭娕枷盗械臏囟茸兯推饕惨研⌒突?，可以安裝在現(xiàn)場的熱電偶接線盒內(nèi)與熱電偶成為一體，且只需用兩根普通導線連接而不必使用較為昂貴的補償導線。檢測、信號轉(zhuǎn)換和顯示成為一體的帶轉(zhuǎn)換器、帶顯示的熱電偶則可滿足現(xiàn)場顯示的需要。近年來，現(xiàn)場總線已廣泛應用于許多自動化控制領(lǐng)域，帶智能型轉(zhuǎn)換器的熱電偶也已面世。它采用二線制4～20mA或數(shù)字化輸，通過手持終端操作器接在4～20mA任意位置，實現(xiàn)數(shù)字信號通訊的現(xiàn)場或遠距離重調(diào)。它還具有PID的控制功能。在這種情況下，4～20mA作為控制輸出，過程變量是測量的溫度值,，設置則可由操作者直接或使用一個可組態(tài)的設置操作器來調(diào)整，其輸出信號可接到執(zhí)行單元；同時信號的數(shù)字部分提供過程變量、輸出、設置和其他轉(zhuǎn)換參數(shù)或PID參數(shù)。應用分析應用實例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，作為測量溫度的變送器，通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用，同時亦可作為裝配式熱電偶的感溫元件。它可以直接測量名種生產(chǎn)過程中從0~800℃范圍內(nèi)的液體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體表面的溫度。圖3鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu)是由導體、高絕緣氧化鎂、外套1Cr18Ni9Ti不銹鋼保護管，經(jīng)多次一體拉制而成。鎧裝熱電偶產(chǎn)品主要由接線盒、接線端子和鎧裝熱電偶組成基本結(jié)構(gòu)，并配以各種安裝固定裝置組成。鎧裝熱電偶分絕緣式和接殼式兩種?；炯夹g(shù)指標：類別（代號）分度號套管外徑（d）常用溫度（℃）最高使用溫度（℃）允許偏差△t測溫范圍（℃）允差值鎳鉻—康銅

WREKE≥φ36007000～700±2.5℃或

±0.75%t鎳鉻—鎳硅

WRNKK≥φ38009500～900±2.5℃或

±0.75%t銅—康銅

WRCKT≥φ3350400<-200未作規(guī)定-40～350±1℃或

±0.75%t注:1、t為被測溫度的絕對值

2、T型分度號產(chǎn)品需與廠方協(xié)商訂貨接口電路由于熱電偶只產(chǎn)生毫伏級輸出，考慮到單片機的采樣要求，要對輸出信號采取線性放大。采用下圖所示的放大電路可將輸出放大100倍。圖4熱電偶放大電路為了維持熱電偶傳感器系統(tǒng)的精度，參考接點必須處于嚴格定義的溫度。在實際應用中，當環(huán)境參考溫度發(fā)生變化時，必須引入補償。圖5冷端補償電路采用電子冷端補償是非常有效的做法。如圖所示，R1為上拉電阻，一方面產(chǎn)生了偏置，有效改善運放的輸入失調(diào)，另一方面起“斷偶報警”作用，因當熱電偶長期使用老化開裂后呈開路形式，有R1將輸入拉高，超越了正常輸入范圍，同時為防止對電勢的影響，通常R1不小于20M。R2、C1組成一階低通濾波器。VR1用于調(diào)整0輸入時的靜態(tài)偏差，而R4、VR2與R3決定同相放大器的環(huán)路放大倍數(shù)（選擇同相形式可充分利用同相器的高阻抗特性）。輸出電壓的比例因子取決于電路中R5、VR3、R6的分壓比。對照熱電偶的溫度系數(shù)，適當調(diào)整VR3，便可實現(xiàn)冷端受環(huán)境溫度變化的完全補償。參考文獻[1]百度百科，詞條“熱電偶”、“熱電效應”；[2]百度文庫，《熱電偶型號》；[3]馬西秦主編，自動檢測技術(shù)，機械工業(yè)出版社，2008.9；[4]鄭瑋、向明東、陳偉昕，熱電偶精密測溫技術(shù)的發(fā)展方向，《現(xiàn)代測量與實驗室管理》2002年第4期；[5]游伯坤，熱電偶與熱電阻的新發(fā)展，中國儀電報，1999212201第4版；[6]陳浩、鄧忠華、余紅梅，熱電偶測溫系統(tǒng)原理及應用，《制造業(yè)自動化》，第26卷第9期，2004.9；[7]吳志祥，實用溫度測量技術(shù)，《常州工學院學報》，VOL.16NO.4，2003.10；[8]張慶玲，熱電偶傳感器測溫系統(tǒng)的設計應用，《西北輕工業(yè)學院學報》，VOL.18，2000.3；[9]張成文、蒼松，智能溫度監(jiān)測系統(tǒng)，《佳木斯大學學報》，VOL.18NO.1，2000.3；[10]王魁漢、樊世川、崔傳孟、周瑋、李鵬，工業(yè)用新型溫度傳感器的開發(fā)與應用，《工業(yè)加熱》，1999年第3期。第十三章：干燥通過本章的學習，應熟練掌握表示濕空氣性質(zhì)的參數(shù)，正確應用空氣的H–I圖確定空氣的狀態(tài)點及其性質(zhì)參數(shù)；熟練應用物料衡算及熱量衡算解決干燥過程中的計算問題；了解干燥過程的平衡關(guān)系和速率特征及干燥時間的計算；了解干燥器的類型及強化干燥操作的基本方法。二、本章思考題1、工業(yè)上常用的去濕方法有哪幾種？態(tài)參數(shù)？11、當濕空氣的總壓變化時，濕空氣H–I圖上的各線將如何變化?在t、H相同的條件下，提高壓力對干燥操作是否有利?為什么?12、作為干燥介質(zhì)的濕空氣為什么要先經(jīng)預熱后再送入干燥器？13、采用一定濕度的熱空氣干燥濕物料，被除去的水分是結(jié)合水還是非結(jié)合水？為什么？14、干燥過程分哪幾種階段？它們有什么特征？15、什么叫臨界含水量和平衡含水量？16、干燥時間包括幾個部分？怎樣計算？17、干燥哪一類物料用部分廢氣循環(huán)？廢氣的作用是什么？18、影響干燥操作的主要因素是什么？調(diào)節(jié)、控制時應注意哪些問題？三、例題例題13-1：已知濕空氣的總壓為101.3kN/m2,相對濕度為50%，干球溫度為20oC。試用I-H圖求解：(a)水蒸汽分壓p；(b)濕度Ｈ；(c)熱焓Ｉ；(d)露點td；(e)濕球溫度tw；(f)如將含500kg/h干空氣的濕空氣預熱至117oC，求所需熱量Ｑ。解：由已知條件：Ｐ＝101.3kN/m2，Ψ0＝50%，t0=20oC在I-H圖上定出濕空氣的狀態(tài)點Ａ點。(a)水蒸汽分壓p過預熱器氣所獲得的熱量為每小時含500kg干空氣的濕空氣通過預熱所獲得的熱量為例題13-2：在一連續(xù)干燥器中干燥鹽類結(jié)晶，每小時處理濕物料為1000kg，經(jīng)干燥后物料的含水量由40%減至5%（均為濕基），以熱空氣為干燥介質(zhì)，初始濕度H1為0.009kg水?kg-1絕干氣，離開干燥器時濕度H2為0.039kg水?kg-1絕干氣，假定干燥過程中無物料損失，試求：水分蒸發(fā)是qm,W（kg水?h-1）；空氣消耗qm,L（kg絕干氣?h-1）；原濕空氣消耗量qm,L’（kg原空氣?h-1）；（3）干燥產(chǎn)品量qm,G