第7章熱電偶傳感器

本章主要內(nèi)容：7.1熱電偶傳感器的工作原理7.2熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)7.3熱電偶自由端（冷端）溫度的補償7.4熱電偶測溫線路7.5熱電偶的應(yīng)用第7章熱電偶傳感器2010年10月13日（星期三下午）南區(qū)9-1101教室

14：00-15：40本章教學(xué)目標(biāo)及重點、難點一.教學(xué)目標(biāo)：1、了解熱電勢效應(yīng)，了解熱電偶的結(jié)構(gòu)及種類。2、掌握熱電偶回路的主要性質(zhì)。3、掌握熱電偶自由端溫度補償?shù)某Ｓ梅椒ā?、熟悉熱電偶的應(yīng)用。二.重點及難點：重點：熱電偶回路的主要性質(zhì)，熱電偶自由端溫度補償?shù)某Ｓ梅椒?，熱電偶的?yīng)用；難點：熱電偶自由端溫度補償?shù)某Ｓ梅椒ǎ?.1熱電偶的工作原理

熱電偶傳感器是將溫度轉(zhuǎn)換成電動勢的一種測溫裝置，它是工業(yè)中使用最為普遍的接觸式傳感器。

熱電偶屬于有源傳感器，使用時不需要外加電源，可以方便地測量爐子、管道中的氣體或液體溫度，也可以測量固體表面溫度，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、測溫范圍大、信號可以遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c。

熱電偶能夠?qū)崮苤苯愚D(zhuǎn)換為電信號，并且輸出直流電壓信號，使得顯示、記錄和傳輸都很容易。一.熱電效應(yīng)

將兩種不同材料的導(dǎo)體組成一個閉合回路，如圖4.87所示。當(dāng)兩個結(jié)合點溫度T和T0不同時，則在該回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，相應(yīng)的電動勢稱為熱電勢。1.兩種不同材料的導(dǎo)體

2.接成閉合回路

3.兩個接點處溫度不同回路中會產(chǎn)生熱電動勢。熱電效應(yīng)條件：1.兩種不同材料導(dǎo)體的組合稱為熱電偶。2.導(dǎo)體A、B稱為熱電極。3.兩個接點中，一個接點稱為熱端，也稱為測量端或工作端，測溫時它被置于被測介質(zhì)(溫度場)中；另一個接點稱為冷端，又稱參考端或自由端。

熱電動勢（電荷擴散）溫差電動勢:同一導(dǎo)體上因兩端溫度不同引起。接觸電動勢:兩種不同導(dǎo)體的接觸引起。二.熱電勢組成：溫差電動勢和接觸電動勢接觸電勢：是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。接觸電勢的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點的溫度。兩接點的接觸電勢eAB(t)和eAB(t0)可表示為:式中：k—玻耳茲曼常數(shù)，k＝1.38×10-23J/K；e—單位電荷電量，e=1.60×10-19C；nA、nB—A、B兩種材料的自由電子濃度。t、t0——接觸處的絕對溫度。結(jié)論：大小與金屬材料、接觸點的溫度有關(guān)，而與熱電極的幾何尺寸無關(guān)。溫差電動勢：是同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動勢，其大小表示為：和。式中，nAt和nBt

分別為A導(dǎo)體和B導(dǎo)體的自由電子密度，是溫度t的函數(shù)。結(jié)論：大小與A、B兩導(dǎo)體材料的性質(zhì)有關(guān)，材料兩端溫差有關(guān)，與熱電極的幾何尺寸無關(guān)。熱電偶回路總電動勢熱電偶回路中的溫差電動勢很小，忽略之，可得（t0端以B為正）結(jié)論：

熱電偶回路中熱電動勢的大小：（1）取決于兩接點間的溫度差，（2）取決于兩種不同電極的材料。與電路形狀無關(guān)。如果冷端溫度t0不變，被測溫度t可通過溫差電動勢獲得。熱電偶回路中總電動勢：三.熱電偶基本定律

由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其熱電動勢的大小只與兩材料及兩接點溫度有關(guān)，與熱電偶的尺寸大小、形狀及沿電極各處的溫度分布無關(guān)。如果構(gòu)成熱電偶的兩種材料相同，不會產(chǎn)生熱電動勢。

1.均質(zhì)導(dǎo)體定律利用該定律，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(dǎo)體定律

斷開熱電偶回路，接入第三種導(dǎo)體，只要兩個新接入點等溫，則回路總熱電動勢不變。測量儀表及引線作為第三種導(dǎo)體的熱電偶回路該定律說明在冷端接入放大電路，不會影響結(jié)果。在兩端接點溫度tc、t0時的熱電動勢為：則：3.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、tc時的熱電動勢為：（在熱電偶回路中，兩接點溫度為T、T0時的熱電動勢，等于該熱電偶在接點溫度為T、Tc和Tc、T0時熱電動勢的代數(shù)和）在熱電偶測溫回路中，tc為熱電極上某一點的溫度，熱電偶AB在接點溫度為t、t0時的熱電勢EAB(t，t0)等于熱電偶AB在接點溫度為t、tc和tc、t0時的熱電勢EAB(t，tC)和EAB(tc，t0)的代數(shù)和，如圖4.90所示，即

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

如果已知兩種導(dǎo)體分別對第三種導(dǎo)體的熱電勢，則前兩種導(dǎo)體之間的熱電動勢可求：4.標(biāo)準(zhǔn)電極定律四.熱電偶的分度表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，一般通過實驗的方法來確定，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，供使用時查閱，表中溫度按10℃分檔，其中間值按內(nèi)插法計算，即S型(鉑銠10-鉑)熱電偶分度表7.2熱電偶材料、結(jié)構(gòu)和種類

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(xué)性能好。不蒸發(fā)、抗氧化等。

我國標(biāo)準(zhǔn)熱電偶有六種：（具有統(tǒng)一的分度表）

銅-康銅鎳鉻-康銅（E型）鎳鉻-鎳硅（K型）鎳鉻-鎳鋁鉑銠10-鉑（S型）鉑銠30-鉑銠6（B型）

非標(biāo)準(zhǔn)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(hù)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(hù)套管接線盒三、熱電偶種類1.標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶（1）鉑銠30-鉑銠6分度號B0—1700度（2）鉑銠10-鉑分度號S0--1600度（3）鎳鉻-鎳硅分度號K-200--1200度

(4)鎳鉻-康銅分度號E-200--900度

(5)鐵-康銅分度號J-200--750度

(6)銅-康銅分度號T-200--350度標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電動勢見表7-1。2.非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶

鉑銠系、銥銠系、鎢錸系熱電偶，用于高溫測量，可達(dá)2500度。7.3熱電偶的冷端補償一、冷端恒溫法

標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電動勢表是以冷端溫度為0度的情況下給出的。只有在冷端溫度不變時，熱端溫度才能通過熱電動勢檢測出來。如果冷端溫度因環(huán)境而變化，會嚴(yán)重影響溫度測量數(shù)據(jù)的精度。因此冷端溫度變化必須進(jìn)行修正和補償。1.采用0度恒溫器，保持冷端溫度為0度。2.采用其他恒溫器，保持冷端溫度一定。

二、補償導(dǎo)線法利用與熱電偶熱電特性一致的補償導(dǎo)線，將熱電偶延伸到恒溫的冷端，如儀表室。冷端溫度為t1不為t0(0度)時，可以通過計算獲得冷端為t0(0度)時的熱電動勢：三、冷端溫度修正法采用補償導(dǎo)線可使熱電偶的冷端延伸到溫度比較穩(wěn)定的地方，但只要冷端溫度t0不等于0℃，eAB(t，0)=eAB(t，t0)＋eAB(t0，0)(4-137)由此可見，測量電勢值eAB(t，t0)的修正值為eAB(t0，0)。eAB(t0，0)是參考端溫度t0的函數(shù)，經(jīng)修正后的熱電勢為eAB(t，0)，可由分度表中查出被測實際溫度值t。需要對熱電偶回路的測量電勢值eAB(t，t0)加以修正。當(dāng)工作端溫度為t時，分度表所對應(yīng)的熱電勢eAB(t，0)與熱電偶實際產(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：四、電橋補償法冷端熱端漆包銅電阻當(dāng)溫度升高阻值增大+---+++-恒定電阻冷端升溫不變變大變小補償條件：

例如在冷端溫度變化范圍0—50度情況下，鉑銠10-鉑熱電偶的△e=0.299,電流I1=0.5mA，補償電阻的溫度系數(shù)a=0.00391/度，補償電阻大小可按補償條件選擇：7.4熱電偶測溫線路

一、測量單點溫度熱端熱端冷端冷端補償導(dǎo)線補償導(dǎo)線（在表內(nèi)）（在表外）二、測量兩點間溫度差

熱電動勢1熱電動勢2補償導(dǎo)線三、測量多點平均溫度-----熱電偶并聯(lián)四、熱電偶串聯(lián)-----增加測量靈敏度7.5熱電偶應(yīng)用

常用爐溫測量控制系統(tǒng)如圖所示。毫伏定值器給出給定溫度的相應(yīng)毫伏值，熱電偶的熱電勢與定值器的毫伏值相比較，若有偏差則表示爐溫偏離給定值，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)器推動晶閘管執(zhí)行器來調(diào)整電爐絲的加熱功率，直到偏差被消除，從而實現(xiàn)控制溫度。END五、采用PN結(jié)溫度傳感器作冷端補償

圖中，熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢經(jīng)A1放大后通過R9加到A3的反相端，二極管D作為PN結(jié)溫度傳感器，與R4、R5、W1構(gòu)成直流電橋，置于熱電偶的冷端處，當(dāng)冷端不為零時，橋路有一個不平衡電勢輸出，經(jīng)A2放大后通過R10加到A3的同相端，A3的增益為1，其輸出VO為熱電偶的熱電勢與補償電勢之和，從而達(dá)到了冷端溫度自動補償?shù)哪康?。六、采用集成溫度傳感器作冷端補償

圖中冷端補償采用TMP35，這是一種高精度的電壓型集成溫度傳感器，其主要特點是：工作電壓低，僅為2.7～5.5V；靜態(tài)電流小于50mA；外圍元件少，使用相當(dāng)方便。TMP35的測溫范圍為+10～+125°C，正處于熱電偶的冷端變化范圍內(nèi)，它的靈敏度為10mV/°C,在0°C時輸出電壓為0V，當(dāng)溫度為25°C時，輸出電壓為250mV。

TMP35的輸出經(jīng)R1與R2的分壓，R2上得到的壓降V2為冷端補償電壓，V1為熱電勢，Vo=V1+V2為經(jīng)補償后的輸出。

這是采用該補償器的熱電偶測量電路，測溫范圍為0～250°C，用運放OP193作為放大器，相應(yīng)的輸出電壓為0～2.5V（靈敏度為10mV/C）。圖中，經(jīng)TMP35補償后的輸出加到OP193的同相端，調(diào)節(jié)電位器RP1，改變放大器的增益，使溫度在250°C時，輸出2.5V即可。給出一個帶冷端補償及非線性校正的熱電偶測溫基本電路。冷端補償:

采用電流型集成溫度傳感器AD592,其輸出電流與絕對溫度成正比。在0℃時，AD592輸出電流為273.2μA，靈敏度為1μA/℃。對于K型熱電偶，在25℃中心范圍，具有40.44μV/℃的溫度系數(shù).。

AD592輸出電流在電阻Ra上轉(zhuǎn)換為補償電壓。當(dāng)環(huán)境溫度為T時，適當(dāng)調(diào)整Rw2，使得Ra上的壓降為（273.2+T）μA╳40.44Ω，其中TμA╳40.44Ω提供40.44μV/℃的冷端補償。另一項（273.2μA╳40.44Ω）使熱電偶正極對地存在11.05mV的誤差電壓即,解決的方法是在運算放大器OP07的反相輸入部分加偏置電壓抵償。在電路中，通過AD538的4腳引出10V電壓，經(jīng)R1及R2分壓，由于R1=1.1Ω，R2=10k，故R1上的壓降為11mV,從而引入了抵償電壓。非線性校正:

測溫電路配用K型熱電偶;

測溫范圍:0℃--600℃;

要求相應(yīng)的輸出電壓為0V—6V(6000mV)K型熱電偶0℃和600℃時的熱電勢分別為0mV和24.902mV,測溫電路放大倍數(shù)應(yīng)為:6000mV/24.902mv≈240.94

若電路為線性,被測溫度為300℃時,測溫電路的輸出電壓為:12.207mV×240.94≈2941.15mV≠3000mV,儀表的指示并不是300℃.這是由熱電偶本身的非線性造成的.

利用高次多項式實現(xiàn)線性化。熱電偶的溫差電勢可近似表示為：

溫差電勢的近似表達(dá)式，可由切比雪夫(Chebyshev)展開式求得。(取到2次冪)

將600℃時的溫差電勢Uin=24.902mV代入上式，得到輸出Uout=600mV，要得到滿量程時6V的輸出，將上式擴大10倍后得到：

由上式可驗證，300℃時，E=12.207mV，Uout=2991.6mV（相當(dāng)于299.2℃）；600℃時，E=24.902mV，Uout=6001.2mV（相