第二章熱電偶傳感器

1.了解熱電偶傳感器的測(cè)量原理

2.掌握熱電偶傳感器的應(yīng)用

目標(biāo)要求第二章熱電偶傳感器及應(yīng)用熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

第一節(jié)熱電偶的工作原理

左端稱為：測(cè)量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢(shì)AB先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)——熱電偶工作原理演示結(jié)論：

當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。一、熱電效應(yīng)

1821年，德國(guó)物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個(gè)接觸點(diǎn)（稱為結(jié)點(diǎn)），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)（說明什么？），如果用兩盞酒精燈對(duì)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減?。ㄓ终f明什么？）

。顯然，指南針的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生并有電流在回路中流動(dòng)，電流的強(qiáng)弱與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差有關(guān)。

從實(shí)驗(yàn)到理論：熱電效應(yīng)第一節(jié)熱電偶的工作原理

一、熱電效應(yīng)

自由電子＋ABeAB（

T）T結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生熱電勢(shì)的微觀解釋及圖形符號(hào)

兩種不同的金屬互相接觸時(shí)，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸點(diǎn)處會(huì)發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴(kuò)散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負(fù)電，從而產(chǎn)生熱電勢(shì)。

從實(shí)驗(yàn)到理論：熱電效應(yīng)第一節(jié)熱電偶的工作原理

一、熱電效應(yīng)

熱電效應(yīng)的定義：將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。第一節(jié)熱電偶的工作原理

一、熱電效應(yīng)

ABTT0k——玻耳茲曼常數(shù)，e——電子電荷量，T——接觸處的溫度，NA，NB——分別為導(dǎo)體A和B的自由電子密度。

接觸電動(dòng)勢(shì)不同材料之間:

節(jié)點(diǎn)處電子的擴(kuò)散所致第一節(jié)熱電偶的工作原理

二、熱電勢(shì)（接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì)）

溫差電動(dòng)勢(shì)σA，σB——湯姆遜溫度系數(shù)。同種材料：兩端溫度不同電子運(yùn)動(dòng)速度不同回路中總電動(dòng)勢(shì)：第一節(jié)熱電偶的工作原理

二、熱電勢(shì)（接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì)）ABTT02)中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會(huì)影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。TT0V1)均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、長(zhǎng)度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。第一節(jié)熱電偶的工作原理

三、熱電偶測(cè)溫基本定律ABTT0=ACTT0—CBTT03)參考電極定律兩種導(dǎo)體A,B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)為已知，A和B兩極配對(duì)后的熱電動(dòng)勢(shì)可用下式求得：4)中間溫度定律熱電偶在兩接點(diǎn)溫度t、t0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為t、tn和tn、t0時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。中間溫度定律可以用下式表示：中間溫度定律為補(bǔ)償導(dǎo)線的使用提供了理論依據(jù)。第一節(jié)熱電偶的工作原理

三、熱電偶測(cè)溫基本定律一、熱電偶的材料1）熱電動(dòng)勢(shì)及熱電動(dòng)勢(shì)率要大，保證足夠的靈敏度。2）熱電特性最好是線性或近似線性的單值函數(shù)關(guān)系。3）能在較寬的溫度范圍內(nèi)使用，物理、化學(xué)性質(zhì)要穩(wěn)定。4）要有高的電導(dǎo)率、小的電阻溫度系數(shù)及小的導(dǎo)熱系數(shù)。5）復(fù)制性要好，即用同一種材料制成的熱電偶其熱電特性要一致，這樣便于制作統(tǒng)一的分度表。6）材料組織要均勻，具有良好的韌性，焊接性能好，以便熱電偶的制作。7）資源要豐富，價(jià)格低廉。第二節(jié)熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及種類二、熱電偶的種類——標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶1）鉑銠10—鉑熱電偶（S型）2）鉑銠13—鉑熱電偶（R型）3）鉑銠30—鉑銠6熱電偶（B型）4）鎳鉻—鎳硅熱電偶（K型）5）鎳鉻硅—鎳硅熱電偶（N型）6）鎳鉻—康銅（E型）7）鐵—康銅（J型）8）銅—康銅（T型）

見書23頁(yè)例5-2用鎳鉻—鎳硅（K型）熱電偶測(cè)量爐溫，熱電偶的冷端溫度為40℃，測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)為35.72mV，問被測(cè)爐溫為多少?解：查K型熱電偶分度表知E(40,0)=1.611mV測(cè)得：E(t,40)=35.72mV則：E(t,0)=E(t,40)+E(40,0)=(35.72+1.611)mV=37.331mV查分度表知t=900.1℃，則被測(cè)爐溫為900.1℃。三、熱電偶的結(jié)構(gòu)形式（1）普通型熱電偶（2）鎧裝型熱電偶（3）薄膜型熱電偶鎧裝型熱電偶可長(zhǎng)達(dá)上百米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

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隔爆型熱電偶外形厚壁保護(hù)管壓鑄的接線盒電纜線

薄膜熱電偶四、熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償1、補(bǔ)償導(dǎo)線法補(bǔ)償導(dǎo)線：在100℃以下的溫度范圍內(nèi)，熱電特性與所配熱電偶相同且價(jià)格便宜的導(dǎo)線，稱為補(bǔ)償導(dǎo)線。補(bǔ)償導(dǎo)線的作用：就是延長(zhǎng)熱電極，即將熱電偶的冷端延伸到溫度相對(duì)穩(wěn)定區(qū)。補(bǔ)償導(dǎo)線的型號(hào)：延伸型補(bǔ)償導(dǎo)線—用于廉金屬熱電偶；X補(bǔ)償型補(bǔ)償導(dǎo)線—用于貴金屬熱電偶和某些非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。C補(bǔ)償導(dǎo)線連接示意圖補(bǔ)償導(dǎo)線外形A’B’屏蔽層保護(hù)層補(bǔ)償導(dǎo)線型號(hào)4.2795.2646.3192.7440.647100C時(shí)的熱電勢(shì)/mVTXJXEXNCRC型號(hào)導(dǎo)線外皮顏色正-負(fù)配用熱電偶正-負(fù)型號(hào)紅-白T（銅—銅鎳）

TX紅-紫J（鐵—銅鎳）JX紅-棕E（鎳鉻—銅鎳）EX紅-黃N（鎳鉻硅—鎳硅）NC紅-綠R（鉑銠13—鉑）RC例5-3

用鎳鉻—鎳硅熱電偶(K)測(cè)量某一實(shí)際為1000℃的對(duì)象溫度。所配用儀表在溫度為20℃的控制室里，設(shè)熱電偶冷端溫度為50℃。當(dāng)熱電偶與儀表之間用補(bǔ)償導(dǎo)線或普通銅導(dǎo)線連接時(shí)，測(cè)得溫度各為多少?又與實(shí)際溫度相差多少?解：查K型熱電偶分度表，得E(1000,0)=41.269mV，E(50,0)=2.022mV，E(20,0)=0.798mV。若用補(bǔ)償導(dǎo)線，儀表測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)值為E(1000,20)=E(1000,0)–E(20,0)=40.471mV查分度表得對(duì)應(yīng)的溫度為979.6℃若用銅導(dǎo)線，儀表測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)值為E(1000,50)=E(1000,0)–E(50,0)=39.247mV查分度表得對(duì)應(yīng)的溫度為948.4℃兩種方法測(cè)得的溫度相差31.2℃，測(cè)量誤差分別為–20.4℃和–51.6℃。2、冷端恒溫法1）冰浴法

2）恒溫箱法

3）恒溫室法3、計(jì)算校正法1）準(zhǔn)確計(jì)算校正法根據(jù)中間溫度定律，對(duì)測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行修正。適用于實(shí)驗(yàn)室中用直流電位差計(jì)來測(cè)溫的情況。2）近似計(jì)算校正法K的取值：K型熱電偶，在0～1000℃范圍內(nèi)，K≈1；S型熱電偶，在800～1300℃，K=0.6～0.5例5-4

用分度號(hào)為S的鉑銠10—鉑熱電偶測(cè)爐溫，其冷端溫度為30℃，而直流電位差計(jì)測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)為9.481mV，試求被測(cè)溫度。再查該分度表得被測(cè)溫度t=1006.5℃。若不進(jìn)行校正，則所測(cè)9.481mV對(duì)應(yīng)的溫度為991℃，誤差–15.5℃。解：查鉑銠10—鉑熱電偶分度表，得E(30,0)=0.173mV，根據(jù)中間溫度定律得例5-5解：在l000℃左右，鉑銠10—鉑熱電偶的校正系數(shù)可近似取0.55，因此按修正公式可得爐溫t

t=t′+Ktn=(991+0.55×30)℃=1007.5℃與例5-4相比可以看出，近似計(jì)算法僅比準(zhǔn)確計(jì)算方法相差1℃。這說明此種方法在一些精度要求不高的現(xiàn)場(chǎng)是可以使用的。用S型熱電偶測(cè)爐溫，其冷端溫度為30℃，顯示儀表的指示值為991℃，試求爐溫。

右圖所示為鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶測(cè)溫電路，熱電極A、B直接焊接在鋼板上（V型焊接），A’、B’為補(bǔ)償導(dǎo)線，Cu為銅導(dǎo)線，已知接線盒1的溫度t1=40C，冰瓶中為冰水混合物，接線盒3的溫度t3=20.0C。求：1）將熱電極直接焊在鋼板上是應(yīng)用了熱電偶的什么定律？2）冰瓶中為冰水混合物，測(cè)得Ux=29.9mV時(shí)，估算被測(cè)點(diǎn)溫度tx；3）如果冰瓶中的冰完全融化，溫度上升，與接線盒1的溫度相同，此時(shí)測(cè)得Ux=27.3mV，再求tx。見書23頁(yè)4、補(bǔ)償電橋法

補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)來補(bǔ)償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電動(dòng)勢(shì)變化。

+-5、儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法

用熱電偶測(cè)溫時(shí)，若t0=tn≠0℃，要使指示值不偏低，可先將顯示儀表指針調(diào)整到相當(dāng)于熱電偶冷端溫度tn的位置上。應(yīng)用于：一些精度要求不高、冷端溫度不經(jīng)常變化的情況下。

用螺絲刀調(diào)節(jié)儀表面板上的“機(jī)械零點(diǎn)”，使指針指到氣溫t0（圖中為40C）的刻度上。機(jī)械零點(diǎn)指針被預(yù)調(diào)到室溫（40C

）可補(bǔ)償冷端損失應(yīng)用實(shí)例(補(bǔ)充)

鹽浴爐溫度控制系統(tǒng)用S型熱電偶檢測(cè)溫度信號(hào)，有冷端補(bǔ)償，溫度信號(hào)通過放大、采樣保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換再送單片機(jī)保存，采用分段查表法獲取各點(diǎn)溫度。選用可控硅過零觸發(fā)自動(dòng)控制鹽浴爐溫度，控制周期為2s?？砂搭A(yù)設(shè)溫度曲線進(jìn)行加熱，并可實(shí)時(shí)顯示加溫曲線。1）系統(tǒng)總體方案本系統(tǒng)采用晶閘管調(diào)功實(shí)現(xiàn)鹽浴爐的溫度控制，即通過控制晶閘管導(dǎo)通與關(guān)斷的周波數(shù)比率，從而達(dá)到調(diào)功的目的。晶閘管的觸發(fā)由單片機(jī)控制，通過單片機(jī)編程可方便地實(shí)現(xiàn)按預(yù)定溫度曲線進(jìn)行加熱。鹽浴爐爐溫由熱電偶感應(yīng)，通過信號(hào)放大、采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換，再由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及線性化校正，以實(shí)現(xiàn)鹽浴爐實(shí)際溫度的檢測(cè)和顯示。其系統(tǒng)總體框圖如下：2）溫度檢測(cè)電路鹽浴爐常用溫度在800～1500℃之間，熱電偶是測(cè)溫的一次儀表，對(duì)它的選擇將直接影響檢測(cè)精度。目前測(cè)溫常選用K型鎳鉻-鎳硅熱電偶，它具有較好的溫度-熱電勢(shì)線性度，便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理，但它不宜長(zhǎng)期在1300℃左右的高溫下使用。因此，這里選用S型鉑銠-鉑熱電偶，其測(cè)溫范圍為0～1600℃，它與K型相比，有較高的精度，但它的線性度較差。

為此，采取每10℃分一段，800～1500℃之間共分70段，在每一段中取各段中點(diǎn)的熱電勢(shì)率K作為各段諸點(diǎn)熱電熱率的平均值。該近似修正方法誤差小，不超過放大電路和A/D轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的誤差。熱電偶溫度檢測(cè)與放大電路如下圖。

其中Vi為熱電偶感應(yīng)的熱電勢(shì)輸入，經(jīng)自穩(wěn)零高精度運(yùn)放ICL7650放大后，V01=(R4+R5)*Vi/R4

再由第二級(jí)運(yùn)放μA741放大后V02=(R8+R7)·(