热电偶传感器.docx

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1、第五章热电偶传感器课题：热电偶传感器的原理及应用课时安排：2课次编号：13教材分析难点：冷端温度补偿重点：热电偶的应用教学目的和要求1、了解温标的概念2、了解热电偶传感器的3、掌握热电偶的选用；3、掌握分度表的应用；4、掌握热电偶的应用5、了解热电偶冷端温度未工作原理；卜偿的方法。采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂互动、分析教具：各种热电偶各教学环节和内容演示：做以下的实验：将两根不同材质的金属（例女用数字亳伏表测量另两端的输出热可以看到，亳伏表的读数随名从以上演示，引入第一节的有一、热电效应1821年，德国物理学家赛贝丁用酒精灯加热其中一个接触点（称9-la所示。如果用两盏酒精灯对两指南针的

2、偏转说明了回路中有电动结点的温差有关。2I1L锲格-银硅）的端部绞在一起。电动势。t接的端部的颜色变红，而上生电偶传感器的工作原理。1（TJSeebeck）用两种不同W为结点），发现放在回路中的个结点同时加热，指南针的缶势产生并有电流在回路中流W4用打火机烧该端部。升。金属组成闭合回路，并南南针发生偏转，如图J转角反而减小。显然，力，电流的强弱与两个+a）图9-1热电偶监a）热电效应b）结点产生热电动I-工作端2热电极3指当两个结点温度不相同时，回路中将产生电两种不同材料的导体所组成的回路称为“热电偶热电偶所产生的电动势称为热电动势（以下简称温度为T的被测对象中的结点称之为测量端，又为方的另一

3、结点称之为参考端，又称自由端或衿几个结论：1）如果热电偶两电极材料相同，即使两端需於b）c）彳理图势示意C）图形符号南针4一参考端动势。这种物理现象称为热电效应。”,组成热电偶的导体称为“热电极”，热电势）。热电偶的两个结点中，置于称为工作端或热端：而置于参考温度，端1度不同tt0）f但总输出热电势仍为零。因此必须由两种不同材料才能构成热电偶。2）如果热电偶两结点温度相同，那么回路总的热电势必然等于零。两结点温差越大，热电势越大。3）式（95）中未包含与热电偶的尺寸形状有关的参数，所以热电势的大小只与材料和结点温度有关。如果以摄氏温度为单位，EAB（T,7b）也可以写成EAB（6to）,其物理

4、意义略有不同，但电动势的数值是相同的。第三节热电偶的种类及结构一、热电极材料和通用热电偶热电极和热电偶的种类繁多,我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标（简称ITS90）的新标准。按此标准，共有八种标准化了的通用热电偶，如表9-2所示。表9-2所列热电偶中，写在前面的热电极为正极，写在后面的为负极。分度表：热电偶自由端（冷端）温度为Oe时，热电偶工作端（热端）温度与输出热电势之间的对应关系的表格。本教材列出了工业中常用的锲格-银硅（K）热电偶的分度表，见附录E。表9-2八种国际通用热电偶特性表名称分更号测温范围re1004C时的热电势100O0C时的热电势特点笛锯3粕

5、错6B5O182O0.0334.834熔点高，测温上限高，性能稳定，准确度高，I（XrC以下热电势极小，所以可不必考虑冷端温度补偿；价昂，热电势小，线性差；只适用于高温域的测量钿辖”-钳R-5OI7680.64710.506使用上限较高，准确度高，性能稳定，复现性好；但热电势较小，不能在金属蒸气和复原性气氛中使用，在高温下连续使用时特性会逐渐变坏，价昂；多用于精密测量粕铐吁钳S-5017680.6469.587优点同上；但性能不如R型热电偶；长期以来曾经作为国际温标的法定标准热电偶银铭-银硅K-270-13704.09641.276热电势大，线性好，稳定性好，价廉；但材质较硬，在100oC以上

6、长期使用会引起热电势漂移：多用于工业测量银信硅-银硅N-270-13002.74436.256是一种新型热电偶,各项性能均比K型热电偶好，适宜于工业测量锲珞-铜银（钱白铜E-270-8006.319热电势比K型热电偶大50%左右，线性好，耐高湿度，价廉；但不能用于复原性气氛；多用于工业测量铁-铜银（钱白铜）J-210-7605.269价格低廉，在复原性气体中较稳定：但纯铁易被腐蚀和氧化；多用于工业测量铜-铜银（钱白铜）T-270-4004.279价廉，加工性能好，离散性小，性能稳定，线性好，准确度高：铜在高温时易被氧化，测温上限低：多用于低温域测量。可作-2000C温域的计量标准伯籍30表示该

7、合金含70%的钳及30%的钱，以下类推。分析图9-4:从图中可以看到，在Oe时它们的热电势均为零，这是因为绘制热电势-温度曲线或制定分度表时，总是将冷端置于0这一规定环境中的缘故。从图9-4中还可以看出，B、R、S及WRe5-WRe26隅镣5-鸨镣26）等热电偶在100C时的热电势几乎为零，只适合于高温测量。从图9-4中还可以看到，多数热电偶的输出都是非线性（斜率不为常数）的。国际计量委员会已对这些热电偶的化学成分和每一摄氏度的热电势做了非常精密的测试，并向全世界公布了它们的分度表Co=（TC）。使用前，只要将这些分度表输入到计算机中，由计算机根据测得的热电势自动查表就可获得被测温度值。第四节

8、热电偶冷端的延长实际测温时，由于热电偶长度有限，自由端温度将直接受到被测物温度和周围环境温度的影响。例如，热电偶安装在电炉壁上，而自由端放在接线盒内，电炉壁周围温度不稳定，涉及接线盒内的自由端，造成测量误差。虽然可以将热电偶做得很长，但这将提高测量系统的本钱，是很不经济的。工业中一般是采用补偿导线来延长热电偶的冷端，使之远离高温区。利用补偿导线延长热电偶的冷端方法如图9-8所示。补偿导线（AB）是两种不同材料的、相比照拟廉价的金属（多为铜与铜的合金）导体。它们的自由电子密度比和所配接型号的热电偶的自由电子密度比相等，所以补偿导线在一定的环境温度范围内，如0100C,与所配接的热电偶的灵敏度相同

9、，即具有相同的温度-热电势关系。使用补偿导线的好处是：它将自由端从温度波动区G延长到补偿导线末端的温度相对稳定区如使指示仪表的示值（毫伏数）变得稳定起来。购置补偿导线比使用相同长度的热电极1A、B）廉价许多，可节约大量贵金属。补偿导线多是用铜及铜的合金制作，所以单位长度的直流电阻比直接使用很长的热电极小得多，可减小测量误差。由于补偿导线通常用塑料（聚氯乙烯或聚四氟乙烯）作为绝缘层，其自身又为较柔软的铜合金多股导线，所以易弯曲，便于敷设。第五节热电偶的冷端温度补偿与集成温度传感器由热电偶测温原理可知，热电偶的输出热电势是热电偶两端温度t和仍差值的函数，当冷端温度的不变时，热电势与工作端温度成单值

10、函数关系。各种热电偶温度与热电势关系的分度表都是在冷端温度为0时作出的，因此用热电偶测量时，假设要直接应用热电偶的分度表，就必须满足g=（C的条件。但在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样A）不但不是0,而且也不恒定，因此将产生误差，一般情况下，冷端温度均高于0,热电势总是偏小。消除或补偿这个损失的方法，常用的有以下几种：一、冷端恒温法1）将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0不变。此法也称冰浴法，它消除了砧不等于OC而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室中。2）将热电偶的冷端置于电热恒温器中，恒温器的温度略高于环境温度的上限（例如40）。3）

11、将热电偶的冷端置于恒温空调房间中，使冷端温度恒定。应该指出的是，除了冰浴法是使冷端温度保持OC外，后两种方法只是使冷端维持在某一恒定（或变化较小）的温度上，因此后两种方法仍必须采用下述几种方法予以修正。图9-9是冷端置于冰瓶中的接法布置图。图9-9冰浴法接线图1一被测流体管道2热电偶3接线盒4补偿导线5铜质导线6一毫伏表7冰瓶8冰水混合物9一试管10一新的冷端二、计算修正法当热电偶的冷端温度hMC时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势EAB（6ro）与冷端为0时所测得的热电势EAB（60）不等。假设冷端温度高于0,那么EAB（6to）Eb6OeOo可以利用下式计算并修正测

12、量误差EAB（60）=EABE而）+EbCo，0）（9-6）式（9-6）中，Eab（6to）是用亳伏表直接测得的亳伏数。修正时，先测出冷端温度而，然后从该热电偶分度表中查出EABc0,OC）（此值相当于损失掉的热电势），并把它加到所测得的EABgM）上。根据式（93）求出EAB30）（此值是已得到补偿的热电势)，根据此值再在分度表中查出相应的温度值。计算修正法共需要查分度表两次。如果冷端温度低于0,由于查出的EAB(Te)是负值，所以仍可用式(9-6)计算修正。例9/用银格.锲硅(K型)热电偶测炉温时，冷端温度如=30,在直流毫伏表上测得的热电势EAB(n30)=38.505mV,试求炉温为多

13、少？解查银铝-银硅热电偶(附录D)分度表，得到入(30,Oe)=I.203mV0根据式(9-6)有EAB(60)=EabE30C)+Eab(30,0)=(38.505+1.203)mV=39.708mV反查K型热电的偶分度表，得到n960。该方法适用于热电偶冷端温度较恒定的情况。在智能化仪表中，查表及运算过程均可由计算机完成。三、仪表机械零点调整法当热电偶与动圈式仪表配套使用时，假设热电偶的冷端温度比拟恒定，对测量准确度要求又不太高时，可将动圈仪表的机械零点调整至热电偶冷端所处的A)处，这相当于在输入热电偶的热电势前就给仪表输入一个热电势E(砧，0)o这样，仪表在使用时所指示的值约为EEo)+

14、E5,OoCJo五、半导体集成温度传感器及热电偶冷端温度的测量在计算修正法中，首先必须测出冷端温度，才有可能进行计算修正。玻璃温度计无法适应计算机自动检测的要求。假设使用铜热电阻测量，那么需要较精密的桥路鼓励电源，而且温度与输出电压的标定也较复杂。现在普遍使用半导体集成温度传感器来测量室温。它具有体积小、集成度高、准确度高、线性好、输出信号大、无需冷端补偿、不需要进行温度标定、热容量小、外围电路简单等优点。只要将它置于热电偶冷端附近，将该传感器的输出电压作简单的换算，就能得到热电偶的冷端温度，从而用计算修正法进行冷端温度补偿。常用的集成温度传感器有：AD590系列电流输出型温度传感器、数字输出

15、型集成温度传感器LM74、专用热电偶冷端温度补偿芯片MAX6675等。第六节热电偶的应用及配套仪表与热电偶配套的仪表有动圈式仪表及数字式仪表之分。符合国家标准的动圈式显示仪表命名为XC系列。按其功能有指示型(XCZ)和指示调节型(XCT)两个系列品种。与K型热电偶配套的动圈仪表型号为XCZ系列及XCT系列等。数字式仪表按其功能也有指示型XMZ系列和指示调节型XMT系列品种。XMT系列仪表是在XCT系列仪表的根底上，加装了有调节、报警功能的数字式指示调节型仪表，是专为热工、电力、化工等工业系统测量、显示、变送温度的种标准仪器，适用于旧式动圈指针式仪表的更新、改造。它不仅具有显示温度的功能，还能实现被测温度超限报警或双位继电器调节。其面板上设置有温度设定按键。当被测温度高于设定温度时，仪表内部的继电器动作，可以切断加热回路。它的特点是采用工控单片