熱電偶溫度傳感器

南昌航空大學課程論文題目熱電偶溫度傳感器姓名學號姓名學號姓名學號專業(yè)年級15級儀器儀表工程2015年12月8日目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"熱電偶溫度傳感器的技術參數 1\o"CurrentDocument"熱電偶、熱電阻分度號 1\o"CurrentDocument"熱電偶溫度傳感器的工作原理 1溫度傳感器熱電阻測溫原理及材料 22.2.溫度傳感器熱電阻的結構 2\o"CurrentDocument"熱電偶溫度傳感器的基礎指標 3\o"CurrentDocument"接觸熱電動勢 3\o"CurrentDocument"溫差電動勢 3\o"CurrentDocument"熱電偶回路總電動勢 3\o"CurrentDocument"熱電偶溫度傳感器的設計指標 4\o"CurrentDocument"熱電偶溫度傳感器的靜態(tài)指標及動態(tài)指標 5靜態(tài)指標 5\o"CurrentDocument"動態(tài)指標 5\o"CurrentDocument"熱電偶溫度傳感器的靜態(tài)及動態(tài)測試法 7\o"CurrentDocument"靜態(tài)測試法 7\o"CurrentDocument"動態(tài)測試法 7\o"CurrentDocument"熱電偶溫度傳感器的安全性及可靠性分析 8\o"CurrentDocument"誤差來源分析 8\o"CurrentDocument"補償法研究 8參考文獻熱電偶溫度傳感器摘要熱電偶是將溫度變化量轉換為熱電勢大小的熱電傳感器，是一種廣泛應用的間接測量溫度的法，即利用一些材料或元件的性能參數隨溫度而變化通過測量該性能參數，而得到被測溫度的大小本文中主要介紹利用熱電偶傳感器測溫的原理及系統(tǒng)設計。在論述測溫的同時，針對不足,提出了一種基于數值計算軟件化測溫法，并給出了實現這種測溫的4個步驟，給出了相關電路、擬合關系式和計算法。為了是測溫精度更高，在此分析了誤差優(yōu)化法，探討了誤差時間常數分析、非線性補償法及冷端溫度補償技術。【關鍵詞】熱電偶、軟件化、時間常數、非線性補償、冷端溫度補償ThermocoupletemperaturesensorAbstractThermocoupleistoconverttemperaturevariationtothesizeofthermoelectricpotentialthermoelectricsensors,isawidelyusedmethodofindirectlymeasuringtemperature,itisusingsomeofthematerialorcomponentperformanceparameterswiththetemperaturechangesbymeasuringtheperformanceparameters,andthesizeofthemeasuredtemperatureinthisarticlemainlyintroducestheuseoftheprincipleofthermocoupletemperaturesensorandsystemdesign.Inthispaperthetemperatureatthesametime,inviewoftheshortage,putforwardakindofbasedonnumericalcalculationsoftwaretemperaturemeasuringmethod,andgivesthefourstepsofimplementingthetemperaturemeasurement,givestherelevantcircuit,fittingequationandcalculationmethod.Tobehighertemperaturemeasurementprecision,optimizationmethodintheanalysisoftheerror,timeconstanterroranalysis,thenonlinearcompensationmethodisdiscussedandthecoldendtemperaturecompensationtechnology.【Keywords]Thermocouple,software,timeconstant,nonlinearcompensation,thecoldendtemperaturecompensation熱電偶溫度傳感器的技術參數熱電偶、熱電阻分度號目前,國生廠的熱電偶、熱電阻產品的分度多采國際標準,即熱電偶按照IEC2584標準生產,熱電阻按照IEC2751標準生產,實現了與國際標準的接軌。今將各國熱電偶、熱電阻分度號列表如下,供讀者參考,見表1.1。名稱分度號國別國際IEC中國日本德國前聯(lián)美國新舊新舊英國鉑銠一鉑10SSLB-3S/PtRh-Ptnn鉑銠一鉑銠30 6BBLL-2B/PtRh2Pt/鉑銠一鉑13RR/RPR/np鎳鉻一鎳硅KKEU-2KCA/XA鎳鉻一銅鎳EEEA-2ECRCNiCr2NiXK銅一銅鎳TTCK-2TCC/鐵一銅鎳JJ/JICCu2Konst鎳鉻硅一鎳硅NN///Fe2Konst鉑電阻Pt100Pt100Pt100BA1-46QBA2-100QPt100JPt100銅電阻CU50Cu50Cu50G53°Cu50表1.1各國熱電偶、熱電阻分度號列表熱電偶溫度傳感器的工作原理將兩種不同的金屬導體焊接在一起，構成閉合回路，如在焊接端（即測量端）加熱產生溫差，則在回路中就會產生熱電動勢，此種現象稱為塞貝克效應（Seebeck-effect）。如將另一端（即參考端）溫度保持一定（一般為o°C），那么回路的熱電動勢則變成測量端溫度

的單值函數。這種以測量熱電動勢的法來測量溫度的元件，即兩種成對的金屬導體，稱為熱電偶。熱電偶產生的熱電動勢，其大小僅與熱電極材料及兩端溫差有關，與熱電極長度、直徑無關。圖2.1熱電偶工作原理2.1溫度傳感器熱電阻測溫原理及材料溫度傳感器熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。溫度傳感器熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用最多的是鉑和銅，此外，現在已開始采用甸、鎳、錳和銠等材料制造溫度傳感器熱電阻。2.2.溫度傳感器熱電阻的結構精通型溫度傳感器熱電阻工業(yè)常用溫度傳感器熱電阻感溫元件（電阻體）的結構及特點見表2-1-11。從溫度傳感器熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接通過溫度傳感器熱電阻阻值的變化來測量的，因此，溫度傳感器熱電阻體的引出線等各種導線電阻的變化會給溫度測量帶來影響。為消除引線電阻的影響同般采用三線制或四線制。鎧裝溫度傳感器熱電阻鎧裝溫度傳感器熱電阻是由感溫元件（電阻體）、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅實體，如圖2-1-7所示，它的外徑一般為申2?gmm,最小可達申mm。與普通型溫度傳感器熱電阻相比，它有下列優(yōu)點：①體積小，部無空氣隙，熱慣性上，測量滯后小；②機械性能好、耐振，抗沖擊；③能彎曲，便于安裝④使用壽命長。端面溫度傳感器熱電阻端面溫度傳感器熱電阻感溫元件由特殊處理的電阻絲材繞制，緊貼在溫度計端面，其結構如圖2-1-8所示。它與一般軸向溫度傳感器熱電阻相比，能更正確和快速地反映被測端面的實際溫度，適用于測量軸瓦和其他機件的端面溫度。隔爆型溫度傳感器熱電阻隔爆型溫度傳感器熱電阻通過特殊結構的接線盒，把其外殼部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發(fā)生的爆炸局限在接線盒，生產現場不會引超爆炸。隔爆型溫度傳感器熱電阻可用于Bla~B3c級區(qū)具有爆炸危險場所的溫度測量。熱電偶溫度傳感器的基礎指標接觸熱電動勢當兩種電子密度不同的導體A與B接觸時，接觸面上就會發(fā)生電子擴散，電子從電子密度高的導體流向密度低的導體。電子擴散的速率與兩導體的電子密度有關并和接觸區(qū)的溫度成正比。設導體A和B的自由電子密度為NA和NB,且NA>NB,電子擴散的結果使導體A失去電子而帶正電，導體B則獲得電子而帶負電，在接觸面形成電場。這個電場阻礙了電子的擴散，達到動平衡時，在接觸區(qū)形成一個穩(wěn)定的電位差,即接觸電勢,其大小為：e二(kT/e)ln(N/N) (1)ABAB式中k 玻耳茲曼常數,k=1.38x10-23J/K;e 電子電荷量,e=1.6x10-19C;T 接觸處的溫度，K；NA,NB 分別為導體A和B的自由電子密度。溫差電動勢因導體兩端溫度不同而產生的電動勢稱為溫差電勢。由于溫度梯度的存在,改變了電子的能量分布,高溫端(T)電子將向低溫端(T0)擴散，致使高溫端因失去電子帶正電，低溫端因獲電子而帶負電。因而在同一導體兩端也產生電位差,并阻止電子從高溫端向低溫端擴散,于是電子擴散形成動平衡,此時所建立的電位差稱為溫差電勢,它與溫度的關系為:e=JTsdt(2)T0式中o為湯姆遜系數，表示溫差1°C所產生的電動勢值，其大小與材料性質及兩端的溫度有關。熱電偶回路總電動勢導體A和B組成的熱電偶閉合電路在兩個接點處有兩個接觸電勢eAB(T)與eAB(T0),又因為T>TO，在導體A和B中還各有一個溫差電勢。所以閉合回路總熱電動勢EAB(T,TO)應為接觸電動勢和溫差電勢的代數和,即:E二(T,T)二e(T)-e(T)-IT(S-S)dT (3)AB0ABAB0ABT0對于已選定的熱電偶，當參考溫度恒定時，總熱電動勢就變成測量端溫度T的單值函數，即：E(T，T)二f(T)AB0熱電偶溫度傳感器的設計指標本系統(tǒng)使用鎳鉻一鎳硅熱電偶，被測溫度圍為0?655°C，冷端補償采用補償電橋法，采用不平衡電橋產生的電勢來補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值。不平衡電橋由電阻R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、Rcu(銅絲繞制)四橋臂和橋路穩(wěn)壓源組成，串聯(lián)在熱電偶回路中。Rcu與熱電偶冷端同處于±0C,而R1=R2=R3=1Q,橋路電源電壓為4V,由穩(wěn)壓電源供電，Rs為限流電阻，其阻值因熱電偶不同而不同，電橋通常取在20C時平衡，這時電橋的四個橋臂電阻R1=R2=R3=Rcu,a、b端無輸出。當冷端溫度偏離20C時，例如升高時，Rcu增大，而熱電偶的熱電勢卻隨著冷端溫度的升高而減小。Uab與熱電勢減小量相等，Uab與熱電勢迭加后輸出電勢則保持不變，從而達到了冷端。實際電路中，從熱電偶輸出的信號最多不過幾十毫伏(<30mV),且其中包含工頻、靜電和磁偶合等共模干擾，對這種電路放大就需要放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗，因此宜采用測量放大電路。測量放大器又稱數據放大器、儀表放大器和橋路放大器，它的輸入阻抗高，易于與各種信號源匹配，而它的輸入失調電壓和輸入失調電流及輸入偏置電流小，并且溫漂較小。由于時間溫漂小，因而測量放大器的穩(wěn)定性好。由三運放組成測量放大器，差動輸入端R1和R2分別接到A1和A2的同相端。輸入阻抗很高，采用對稱電路結構，而且被測信號直接加到輸入端，從而保證了較強的抑制共模信號的能力。A3實際上是一差動跟隨器，其增益近似為1。測量放大器的放大倍數為：AV=V0/(V2-V1),AV=RF/R(1+(Rf1+Rf2)/RW)。在此電路中，只要運放A1和A2性能對稱(主要指輸入阻抗和電壓增益)，其漂移將大大減小，具有高輸入阻抗和共模抑制比，對微小的差模電壓很敏感，適宜于測量遠距離傳輸過來的信號，因而十分易于與微小輸出的傳感器配合使用。RW是用來調整放大倍數的外接電阻，在此用多圈電位器。實際電路中A1、A2采用低漂移高精度運放OP-07芯片，其輸入失調電壓溫漂oVIOS和輸入失調電流溫漂oIIOS都很小，OP-07采用超高工藝和“齊納微調”技術，使其VIOS、IIOS、oVIOS和oIIOS都很小，廣泛應用于穩(wěn)定積分、精密加法、比校檢波和微弱信號的精密放大等。OP-07要求雙電源供電，使用溫度圍0?70C,—般不需調零，如果需要調零可采用RW進行調整。A3采用741芯片，它要求雙電源供電，供電圍為±(3?18)V,典型供電為±15V,—般應大于或等于士5V,其部含有補償電容，不需外接補償電容。經過測量放大器放大后的電壓信號，其電壓圍為0?5V,此信號為模擬信號，計算機無法接受，故必須進行A/D轉換。實際電路中，選用ICL7109芯片。ICL7109是一種高精度、低噪聲、低漂移、價格低廉的雙積分型12位A/D轉換器。由于目前12位逐次逼近式A/D轉換器價格較高，因此在要求速度不太高的場合，如用于稱重測壓力、測溫度等各種傳感器信號的高精度測量系統(tǒng)中時，可采用廉價的雙積分式12位A/D轉換器ICL7109°ICL7109主要有如下特性：(1)高精度(精確到1/212=1/4096);(2)低噪聲(典型值為15)jVP-P);(3)低漂移(<1|jV/C);⑷高輸入阻抗(典型值1012Q);(5)低功耗(<20mW);(6)轉換速度最快達30次/秒，當采用3.58MHz晶振作振源時，速度為7.5次/秒；(7)片帶有振蕩器，外部可接晶振或RC電路以組成不同頻率的時鐘電路;(8)12位二進制輸出，同時還有一位極性位和一位溢出位輸出;(9)輸出與TTL兼容，以字節(jié)式（分高低字節(jié)）三態(tài)輸出，并且具有VART掛鉤式，可以用簡單的并行或串行口接到微處理系統(tǒng)；（10）可用RVNHOLD（運行/保持）和STATUS（狀態(tài)）信號監(jiān)視和控制轉換定時；（11）所有輸入端都有抗靜電保護電路。5熱電偶溫度傳感器的靜態(tài)指標及動態(tài)指標5」靜態(tài)指標由于離子鍍膜時NiCr與NiSi的成分不同于塊狀材料，導致薄膜熱電偶與絲式熱電偶的熱電特性不同，因此在使用NiC洲iSi薄膜熱電偶之前需要對其進行靜態(tài)標定。在用離子鍍法沉積薄膜熱電偶的同時，在兩根長500film，直徑為25mm的英玻璃管上分別同爐鍍制NiCr/NiSi薄膜熱電偶用作靜態(tài)標定。為了盡量與實際使用情況相同，標定時薄膜熱電偶的冷端也是用相同的NiCr/NiSi絲引至冰點器，使其溫度恒為0°C。標定是采用比較法完成的。根據使用溫度圍不同，分別在HWS—I型標準水槽（0?100C）、HWY.II型標準油槽（100"--300°C）、YG—3型臥式熱電偶檢定爐（300?600C）對薄膜熱電偶進行標定。在水槽和油槽中標定時，薄膜熱電偶輸出是與二等標準鉑電阻的輸出進行比較的；而在檢定爐標定時，薄膜熱電偶輸出是與二等標準S型熱電偶的輸出進行比較的。從50°C開始每隔50C標定一個點，一直標定到要求的最大值600C，其結果如表2和圖5.1所示。SOIOC200熱電孫應/蟲V1.35*7235923.42374.4579遍蟹的弋2^3003504tX)熱電勢E/m*5.504(56.57007.582SS.G727溫度血弋4S0SOD5506009.707810.7W21JJ03712.8066表5.1薄膜熱電偶輸出熱電勢E與熱端溫度之間的關系圖5.1薄膜熱電偶靜態(tài)標定曲線5.2動態(tài)指標NiC烈iSi薄膜熱電偶鍍制于沉積有絕緣膜的高速鋼基體表面上，因基體厚度相對于薄膜厚度來說非常大，故可視為半無限大物體，且處于一維非穩(wěn)態(tài)導熱過程。并假定材料物理性能不隨溫度變化，因為傳感器使用溫度上限遠低于薄膜及基體的熔化溫度。設熱量沿X向(即垂直膜面向基體部向)傳播，薄膜熱電偶膜層溫度分布函數為人(x，t)，基體溫度分布函數為。2(X，t)，則薄膜熱電偶的導熱微分程為護q(x?I(x,o 小起始條件為F二0%也G)二9^邊界條件為A-0砂巧=F⑴f>0x—Sfij(rfjf)=t)—$人沁J塑兇10X 0JT基體的導熱微分程為傘Cv)_丄初3) 『加a?_￡&T~ (J起始條件為r=0爲(斷0)三兔邊界條件為FA0昇一>叱&2(8/)=%式中r——時聞氐 初始溫度5宀——薄膜材料和基體的熱擴散率石，血——薄膜和基體的熱導率&—荊膜厚度F?)——轉膜表面溫度波動函數當薄膜表面產生一溫度階躍時，即F(t)二(6-6)=6，9為穩(wěn)態(tài)溫度，9為一溫度常數，S0 CS C由式(1)及式(2)的共同起始條件及邊界條件求得式(1)的特解為片 I阿7丿如斜侗⑶

式中erf——高斯誤差函數K—影耐瘠膜熱業(yè)偶響應快慢的系數且有薄膜熱電偶所測的的漏度即為鍍膜層與基體交界面之間的溫度。令尸5代入式(3)得式(5)中的系數K由式(4)確定。式(5)即為表面溫度產生一階躍時，薄膜熱電偶所測溫度隨時間的變化關系。令式(5)左端等于0.368，并將各參數代入即可求出時間常數約為8.1US。6熱電偶溫度傳感器的靜態(tài)及動態(tài)測試法6.1靜態(tài)測試法靜態(tài)標定又稱為分度，是確定熱電動勢與溫度對應關系的法，一般有純金屬定點法、比較法、黑體空腔法等幾種。純金屬定點法是利用純金屬相變過程中的平衡點進行分度的法，這些平衡點在國際溫標中規(guī)定了統(tǒng)一的溫度數值。比較法是將高級別標準熱電偶和待檢熱電偶一起放置于均勻溫度場中并進行比較的分度法。該法具有設備簡單易操作，測量電勢值，計算簡單、結果直觀，一次可分度多只傳感器，標準器和被檢傳感器種類可以不同等優(yōu)點。比較法是目前最常用的標定法。黑體空腔法，是在臥式電阻爐最高溫區(qū)的均勻溫場放置一個黑體空腔，空腔一端安放被檢熱電偶，另一端為標準光學高溫計的測量窗口，使電阻爐恒定某一溫度點，用標準光學高溫計測量黑體空腔底部的高亮溫度，同時測出被檢熱電偶的熱電動勢，黑體空腔法常用于高溫熱電偶的分度，分度時可以采取任意分度點，但是分度的準確度受黑體空腔的發(fā)射率和標準光學高溫計準確度的影響,計算法比較復雜。恒溫槽中分度屬于比較法的一種，不同的是該法可將待檢熱電偶放在恒溫槽中與標準儀器比較。例如，0?300°C時，一般用標準水銀溫度計進行比較。成套分度是將被檢熱電偶與顯示儀表配套連接，作為一"整體進行分度，該法可以確定熱電偶測量系統(tǒng)的綜合誤差。6.2動態(tài)測試法對接觸式溫度傳感器的動態(tài)響應時間進行測試，其整個測試系統(tǒng)包括一套機械裝置、熱電

偶、控制系統(tǒng)、接口電路及應用LabVIEW平臺編制的配套軟件。其中，控制系統(tǒng)則包括自帶控制器的tRIONI-9074及其配套數據采集卡NI—9223、數字I/O卡NI—9403。通過數字I/O卡控制電磁閥來控制系統(tǒng)機械裝置，使其觸發(fā)，數據采集卡實時對溫度傳感器的輸出進行采集，采集到的測試數據經過應用軟件計算得出時間常數并顯示和儲存。測試系統(tǒng)的結構如圖6.1所示。rrH1-7.*11HrTT■!1T峠■片rrH1-7.*11HrTT■!1T峠■片電ItHI圖6.1動態(tài)響應測試系統(tǒng)結構示意圖7熱電偶溫度傳感器的安全性及可靠性分析7.1誤差來源分析已定系統(tǒng)誤差：薄膜熱電偶材料不均引起的測溫誤差；⑵傳遞誤差：用比較法標定熱電偶時，標準器也會存在一定的誤差；熱電偶分度引起的溫度誤差：曲線擬合產生的非線性誤差；補償導線引起的測溫誤差：中間溫度或中間導體帶來的誤差；包括兩個部分：一是由于補償導線與熱電偶冷端溫度不一致引起的；二是由于補償導線與熱電偶熱電特性不同引起的。由于尺寸效應，第二部分比較大。根據誤差分析與處理理論，系統(tǒng)誤差按照代數和法合成，未定系統(tǒng)誤差及隨機誤差均按根法合成。7.2補償法研究熱電偶電勢與電極材料及接點溫度有關。分度時一般都以0°C為參考溫度。實際測溫很難長時間保持該參考溫度，必須采取修正或補償措施。主要法有：⑴冰點器法。用清潔的水制成的冰屑和清潔的水相混合放在保溫瓶中，使水面略低于冰屑面，實現的冰點平衡溫度可以認為是0C。熱電動勢補正法。根據中間溫度定律，測得熱電動勢EAB(T,TnT0)加上EAB(Tn,T0)就可得所需的電勢EAB(T,Tn,T0)。EAB(Tn,T0)的值可在分度表直接查出，或由實驗獲得。此法應用于測量熱電偶輸出為熱電勢的場合。溫度修正法。該法針對于直讀式溫度儀表。采用溫度補正法所帶來的誤差大于熱電勢修正調儀表起始點法。在儀表開路的情況下，先將儀表起始溫度調至Tn