第六章熱電偶傳感器

2023/2/21第六章熱電偶傳感器及應用熱電偶是工程上應用最廣泛的溫度傳感器。它構(gòu)造簡單，使用方便，具有較高的準確度、穩(wěn)定性及復現(xiàn)性，溫度測量范圍寬，在溫度測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熱電偶實用測溫線路和溫度補償6.3熱電偶溫度傳感器的應用36.1熱電偶工作原理和結(jié)構(gòu)形式6.1.1工作原理1．熱電效應將兩種不同成分的導體組成一個閉合回路，當閉合回路的兩個結(jié)點分別置于不同的溫度場中時，回路中將產(chǎn)生一個電勢，這種現(xiàn)象稱為“熱電效應”。1.兩種不同導體

2.接成閉合回路

3.兩個接點處溫度不同

熱電效應

回路中會產(chǎn)生熱電動勢。5熱電偶回路原理6熱電勢由兩部分組成兩種導體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導體稱為“熱電極”，產(chǎn)生的電勢則稱為“熱電勢”，熱電偶的兩個結(jié)點，一個稱為測量端（工作端或熱端），另一個稱為參考端（自由端或冷端）。一部分是兩種導體的接觸電勢，另一部分是單一導體的溫差電勢。7接觸電勢當A和B兩種不同材料的導體接觸時，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，電子在兩個方向上擴散的速率就不一樣。。假設導體A的自由電子密度大于導體B的自由電子密度，則導體A擴散到導體B的電子數(shù)要比導體B擴散到導體A的電子數(shù)大。所以導體A失去電子帶正電荷，導體B得到電子帶負電荷。于是，在A、B兩導體的接觸界面上便形成一個由A到B的電場。6.1.2熱電偶基本定律

1.均質(zhì)導體定律：如果構(gòu)成熱電偶的兩種材料相同，不會產(chǎn)生熱電動勢。

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.中間導體定律：斷開熱電偶回路，接入第三種導體，只要兩個新接入點等溫，則回路總熱電動勢不變。

該定律說明在冷端接入放大電路，不會影響結(jié)果。

3.標準電極定律：如果已知兩種導體分別對第三種導體的熱電動勢，則前兩種導體之間的熱電動勢可求。

4.中間溫度定律：如熱電偶在兩端接點溫度t、t0時的熱電動勢為在兩端接點溫度t、tn時的熱電動勢為在兩端接點溫度tn、t0時的熱電動勢為則：

根據(jù)該定律，熱電偶本身的導線如果不夠長，可以用同樣性質(zhì)（同樣熱電特性）的補償導線加以延長。延長后的熱電動勢與延長線的中間溫度無關，只與延長后的兩端溫度有關。6.1.3

熱電偶結(jié)構(gòu)形式及材料

對制成熱電偶的材料的要求：（1）溫度測量范圍廣，溫度線性度好，測量精確度高，輸出熱電動勢大。（2）熱電性能穩(wěn)定。（3）物理化學性能好。不蒸發(fā)、抗氧化等。

我國標準熱電偶有六種：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

非標準熱電偶：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、保護管和接線盒組成。普通型熱電偶按其安裝時的連接形式可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活動法蘭連接、無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

（出廠時用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端）

不銹鋼保護管

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)拉伸加工而成的堅實組合體.它可以做得很細很長，使用中隨需要能任意彎曲。鎧裝型熱電偶的主要優(yōu)點是測溫端熱容量小，動態(tài)響應快，機械強度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復雜的裝置上，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達上百米薄壁金屬保護套管（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。熱電偶測量端既小又?。ê穸瓤蛇_0.01～0.1m），因而熱慣性小，反應快，可用于測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在被測表面上等3種。所用的電極類型有鐵-康銅、鐵鎳、銅-康銅、鎳鉻-鎳硅等。測溫范圍為?200～300℃。19鐵-鎳薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)1—測量接點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測量各種狀態(tài)的固體表面溫度的，如測量軋輥、金屬塊、爐壁、橡膠筒和渦輪葉片等表面溫度。此外還有測量氣流溫度的熱電偶、浸入式熱電偶等。216.2熱電偶實用測溫線路和溫度補償1．測量某點溫度的基本電路2．測量溫度之和—熱電偶串聯(lián)測量線路3．測量平均溫度—熱電偶并聯(lián)測量線路4．測量兩點之間的溫度差6.2.1熱電偶實用測溫線路221．測量某點溫度的基本電路基本測量電路包括熱電偶、補償導線、冷端補償器、連接用銅線、動圈式顯示儀表。熱電偶基本測量電路232．測量溫度之和—熱電偶串聯(lián)測量線路將N支相同型號的熱電偶正負極依次相聯(lián)接若N支熱電偶的各熱電勢分別為E1、E2、E3、…EN，則總電勢為

=E1+E2+E3+…+EN=NE

串聯(lián)線路的總熱電勢為E的N倍，所對應的溫度可由—t關系求得，也可根據(jù)平均熱電勢E在相應的分度表上查對。24熱電偶串聯(lián)測量線路串聯(lián)線路的主要優(yōu)點是熱電勢大，精度比單支高；主要缺點是只要有一支熱電偶斷開，整個線路就不能工作，個別短路會引起示值顯著偏低。253．測量平均溫度—熱電偶并聯(lián)測量線路將N支相同型號熱電偶的正負極分別連在一起，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)測量線路274．測量兩點之間的溫度差實際工作中常需要測量兩處的溫差，可選用兩種方法測溫差，一種是兩支熱電偶分別測量兩處的溫度，然后求算溫差；另一種是將兩支同型號的熱電偶反串聯(lián)接，直接測量溫差電勢，然后求算溫度。前一種測量較后一種測量精度差，對于要求精確的小溫差測量，應采用后一種測量方法。286.2.2熱電偶的溫度補償熱電偶產(chǎn)生的熱電勢與兩端溫度有關。只有將冷端的溫度恒定，熱電勢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℃時作出的，因此在使用時要正確反映熱端溫度，最好設法使冷端溫度恒為0℃。實際應用中，熱電偶的冷端通?？拷粶y對象，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℃恒溫法在實驗室及精密測量中，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℃，故最后還需對熱電偶進行冷端修正。302．補償導線法補償導線的作用是將熱電偶的冷端延長到溫度相對穩(wěn)定的地方。只有當冷端溫度恒定時，產(chǎn)生的熱電勢才與熱端溫度成單值函數(shù)關系。所謂補償導線，實際上是一對材料化學成分不同的導線，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，價格相對要便宜。31補償導線連接示意圖32使用補償導線必須注意以下幾個問題。（1）兩根補償導線與兩個熱電極的結(jié)點必須具有相同的溫度。（2）只能與相應型號的熱電偶配用，而且必須滿足工作范圍。（3）極性切勿接反，常用補償導線負極的顏色均為白色。333．計算修正法兩種方法解決了一個問題，即設法使熱電偶的冷端溫度恒定。但是，冷端溫度并非一定為0℃，所以測出的熱電勢還是不能正確反映熱端的實際溫度。為此，必須對溫度進行修正。344．電橋補償法計算修正法雖然很精確，但不適合連續(xù)測溫，為此，有些儀表的測溫線路中帶有補償電橋，利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢補償熱電偶因冷端溫度波動引起的熱電勢的變化。35

電橋補償電路在橋路設計時，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，從而認為其具有恒流特性366.3熱電偶溫度傳感器的應用工業(yè)現(xiàn)場利用熱電偶測量爐溫的誤差分析371．工作原理由毫伏定值器給出設定溫度的相應毫伏值，如熱電偶的熱電勢與定值器的輸出值有偏差，則說明爐溫偏離給定，此偏差經(jīng)放大器送入調(diào)節(jié)器，再經(jīng)過晶閘管觸發(fā)器去推動晶閘管執(zhí)行器，從而調(diào)整爐絲的加熱功率，消除偏差，達到控溫的目的。常用爐溫測量采用的熱電偶測量系統(tǒng)圖382．由熱電偶放大器AD594構(gòu)成的熱電偶溫度計

39（1）AD59440工