第六章熱電偶傳感器

1、2021-10-151第六章熱電偶傳感器及應(yīng)用熱電偶是工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器。它構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便，具有較高的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性，溫度測(cè)量范圍寬，在溫度測(cè)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(shí)用測(cè)溫線路和溫度補(bǔ)償 6.3熱電偶溫度傳感器的應(yīng)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(yīng) 將兩種不同成分的導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)閉合回路的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)分別置于不同的溫度場(chǎng)中時(shí)，回路中將產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為“熱電效應(yīng)”。1.兩種不同導(dǎo)體兩種不同導(dǎo)體 2.接成閉合回路接成閉合回路 3.兩個(gè)接點(diǎn)處溫度不同兩個(gè)接點(diǎn)處溫度不同 熱電效

2、應(yīng)熱電效應(yīng) 回路中會(huì)產(chǎn)生回路中會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)熱電動(dòng)勢(shì)。5熱電偶回路原理 6熱電勢(shì)由兩部分組成 兩種導(dǎo)體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導(dǎo)體稱為“熱電極”，產(chǎn)生的電勢(shì)則稱為“熱電勢(shì)”，熱電偶的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，一個(gè)稱為測(cè)量端（工作端或熱端），另一個(gè)稱為參考端（自由端或冷端）。 一部分是兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)，另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)。7接觸電勢(shì) 當(dāng)A和B兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時(shí)，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(gè)方向上擴(kuò)散的速率就不一樣。 。假設(shè)導(dǎo)體A的自由電子密度大于導(dǎo)體B的自由電子密度，則導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的電子數(shù)要比導(dǎo)體B擴(kuò)散到導(dǎo)體A的電子數(shù)大。所以導(dǎo)體A失

3、去電子帶正電荷，導(dǎo)體B得到電子帶負(fù)電荷。于是，在A、B兩導(dǎo)體的接觸界面上便形成一個(gè)由A到B的電場(chǎng) 。6.1.26.1.2熱電偶熱電偶基本定律基本定律 1.1.均質(zhì)導(dǎo)體定律均質(zhì)導(dǎo)體定律：如果構(gòu)成熱電偶的兩種材料相同，：如果構(gòu)成熱電偶的兩種材料相同，不會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。不會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。 利用該定律，可以檢查兩種熱電極材料是否相同，或利用該定律，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。一種熱電極材料是否均勻。 2.2.中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律：斷開(kāi)熱電偶回路，接入第三種導(dǎo)體，：斷開(kāi)熱電偶回路，接入第三種導(dǎo)體，只要兩個(gè)新接入點(diǎn)等溫，則回路總熱電動(dòng)勢(shì)不變。只要兩個(gè)新接入點(diǎn)等溫，則回路總

4、熱電動(dòng)勢(shì)不變。 該定律說(shuō)明在冷端接入放大電路，不會(huì)影響結(jié)果。該定律說(shuō)明在冷端接入放大電路，不會(huì)影響結(jié)果。 3.3.標(biāo)準(zhǔn)電極定律標(biāo)準(zhǔn)電極定律：如果已知兩種導(dǎo)體分別對(duì)第三種導(dǎo)：如果已知兩種導(dǎo)體分別對(duì)第三種導(dǎo)體的熱電動(dòng)勢(shì)，則前兩種導(dǎo)體之間的熱電動(dòng)勢(shì)可求。體的熱電動(dòng)勢(shì)，則前兩種導(dǎo)體之間的熱電動(dòng)勢(shì)可求。 ),(),(),(000ttEttEttEBCACAB 4.4.中間溫度定律中間溫度定律： 如熱電偶在兩端接點(diǎn)溫度如熱電偶在兩端接點(diǎn)溫度t t、t t0 0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為 在兩端接點(diǎn)溫度在兩端接點(diǎn)溫度t t、t tn n時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為 在兩端接點(diǎn)溫度在兩端接點(diǎn)溫度t tn n

5、、t t0 0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為 ),(0ttEAB),(nABttE),(0ttEnAB),(),(),(00ttEttEttEnnAB則：則： 根據(jù)該定律，熱電偶本身的導(dǎo)線如果不夠長(zhǎng)，可根據(jù)該定律，熱電偶本身的導(dǎo)線如果不夠長(zhǎng)，可以用同樣性質(zhì)（同樣熱電特性）的補(bǔ)償導(dǎo)線加以延長(zhǎng)。以用同樣性質(zhì)（同樣熱電特性）的補(bǔ)償導(dǎo)線加以延長(zhǎng)。延長(zhǎng)后的熱電動(dòng)勢(shì)與延長(zhǎng)線的中間溫度無(wú)關(guān)，只與延延長(zhǎng)后的熱電動(dòng)勢(shì)與延長(zhǎng)線的中間溫度無(wú)關(guān)，只與延長(zhǎng)后的兩端溫度有關(guān)。長(zhǎng)后的兩端溫度有關(guān)。6.1.36.1.3 熱電偶結(jié)構(gòu)形式及材料熱電偶結(jié)構(gòu)形式及材料 對(duì)制成熱電偶的材料對(duì)制成熱電偶的材料的要求：的要求： （1 1）溫

6、度測(cè)量范圍廣，溫度線性度好，測(cè)量精確度高，）溫度測(cè)量范圍廣，溫度線性度好，測(cè)量精確度高，輸出熱電動(dòng)勢(shì)大。輸出熱電動(dòng)勢(shì)大。 （2 2）熱電性能穩(wěn)定。）熱電性能穩(wěn)定。 （3 3）物理化學(xué)性能好。不蒸發(fā)、抗氧化等。）物理化學(xué)性能好。不蒸發(fā)、抗氧化等。 我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶有六種：有六種： 銅銅- -康銅康銅 鎳鉻鎳鉻- -考銅考銅 鎳鉻鎳鉻- -鎳硅鎳硅 鎳鉻鎳鉻- -鎳鋁鎳鋁 鉑銠鉑銠10-10-鉑鉑 鉑銠鉑銠30-30-鉑銠鉑銠6 6 非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶： 鉑銠鉑銠13-13-鉑鉑 鉑銠鉑銠- -銥銥 等等 發(fā)展中產(chǎn)品發(fā)展中產(chǎn)品： 鎳鉻鎳鉻- -康銅康銅 鐵鐵- -康銅康銅 一、一

7、、熱電偶材料熱電偶材料 1.1.普通工業(yè)熱電偶的結(jié)構(gòu)普通工業(yè)熱電偶的結(jié)構(gòu) （1 1）熱電極）熱電極 （2 2）絕緣管）絕緣管 （3 3）保護(hù)套管）保護(hù)套管 (4) (4) 接線盒接線盒 二、二、熱電偶結(jié)構(gòu)熱電偶結(jié)構(gòu)2.2.鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu)鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu)（1 1）露端型）露端型（2 2）接殼型）接殼型（3 3）絕緣型）絕緣型 (4) (4) 圓變截面型圓變截面型 (5) (5) 扁變截面型扁變截面型熱電極熱電極絕緣管絕緣管保護(hù)套管保護(hù)套管接線盒接線盒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(hù)管和接線盒組成。 普通型熱電偶按其安裝時(shí)的連接形式可分為固定螺紋

8、連接、固定法蘭連接、活動(dòng)法蘭連接、無(wú)固定裝置等多種形式。普通型熱電偶結(jié)構(gòu)圖 13普通裝配型普通裝配型熱電偶的熱電偶的外形外形安裝安裝螺紋螺紋安裝安裝法蘭法蘭14普通普通裝配型裝配型熱電偶的熱電偶的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)放大圖放大圖 接線盒引出線套管引出線套管 固定螺紋固定螺紋 （出廠時(shí)用塑料包裹）（出廠時(shí)用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端）熱電偶工作端（熱端） 不銹鋼不銹鋼保護(hù)管保護(hù)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(jiān)實(shí)組合體 . 它可以做得很細(xì)很長(zhǎng)，使用中隨需要能任意彎曲。鎧裝型熱電偶的主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫端熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，機(jī)械強(qiáng)度高，撓

9、性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上，因此被廣泛用在許多工業(yè)部門(mén)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鎧裝型熱電偶外形鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可鎧裝型熱電偶可 長(zhǎng)達(dá)上百米長(zhǎng)達(dá)上百米薄壁金屬薄壁金屬 保護(hù)套管保護(hù)套管（鎧體）（鎧體） BA絕緣絕緣 材料材料鎧裝型熱電偶鎧裝型熱電偶橫截面橫截面183薄膜熱電偶 用真空蒸鍍（或真空濺射）、化學(xué)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(cè)量端既小又薄（厚度可達(dá)0.010.1m），因而熱慣性小，反應(yīng)快，可用于測(cè)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

10、接蒸鍍?cè)诒粶y(cè)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(cè)溫范圍為200300。 19鐵-鎳薄膜熱電偶結(jié)構(gòu) 1測(cè)量接點(diǎn) 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(lái)測(cè)量各種狀態(tài)的固體表面溫度的，如測(cè)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(cè)量氣流溫度的熱電偶、浸入式熱電偶等。216.2熱電偶實(shí)用測(cè)溫線路和溫度補(bǔ)償 1測(cè)量某點(diǎn)溫度的基本電路 2測(cè)量溫度之和熱電偶串聯(lián)測(cè)量線路 3測(cè)量平均溫度熱電偶并聯(lián)測(cè)量線路 4測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的溫度差 6.2.1 熱電偶實(shí)用測(cè)溫線路熱電偶實(shí)用測(cè)溫線路 221測(cè)量某點(diǎn)溫度的基本電路 基

11、本測(cè)量電路包括熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線、冷端補(bǔ)償器、連接用銅線、動(dòng)圈式顯示儀表。 熱電偶基本測(cè)量電路 232測(cè)量溫度之和熱電偶串聯(lián)測(cè)量線路 將N支相同型號(hào)的熱電偶正負(fù)極依次相聯(lián)接 若N支熱電偶的各熱電勢(shì)分別為E1、E2、E3、EN，則總電勢(shì)為=E1+ E2+ E3+ EN= NE 串聯(lián)線路的總熱電勢(shì)為E的N倍，所對(duì)應(yīng)的溫度可由t關(guān)系求得，也可根據(jù)平均熱電勢(shì)E在相應(yīng)的分度表上查對(duì)。24熱電偶串聯(lián)測(cè)量線路 n串聯(lián)線路的主要優(yōu)點(diǎn)是熱電勢(shì)大，精度比串聯(lián)線路的主要優(yōu)點(diǎn)是熱電勢(shì)大，精度比單支高；主要缺點(diǎn)是只要有一支熱電偶斷開(kāi)，單支高；主要缺點(diǎn)是只要有一支熱電偶斷開(kāi)，整個(gè)線路就不能工作，個(gè)別短路會(huì)引起示值整個(gè)線路就

12、不能工作，個(gè)別短路會(huì)引起示值顯著偏低。顯著偏低。253測(cè)量平均溫度熱電偶并聯(lián)測(cè)量線路 將N支相同型號(hào)熱電偶的正負(fù)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(shì)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(cè)量線路 274測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的溫度差 實(shí)際工作中常需要測(cè)量?jī)商幍臏夭?，可選用兩種方法測(cè)溫差，一種是兩支熱電偶分別測(cè)量?jī)商幍臏囟?，然后求算溫差；另一種是將兩支同型號(hào)的熱電偶反串聯(lián)接，直接測(cè)量溫差電勢(shì)，然后求算溫度。前一種測(cè)量較后一種測(cè)量精度差，對(duì)于要求精確的小溫差測(cè)量，應(yīng)采用后一種測(cè)量方法。286.2.2 熱電偶的溫度補(bǔ)償 熱電偶產(chǎn)

13、生的熱電勢(shì)與兩端溫度有關(guān)。只有將冷端的溫度恒定，熱電勢(shì)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(shí)作出的，因此在使用時(shí)要正確反映熱端溫度，最好設(shè)法使冷端溫度恒為0。 實(shí)際應(yīng)用中，熱電偶的冷端通?？拷粶y(cè)對(duì)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(shí)驗(yàn)室及精密測(cè)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(dòng)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，

14、這類恒溫器的溫度不為0，故最后還需對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端修正。302補(bǔ)償導(dǎo)線法 補(bǔ)償導(dǎo)線的作用是將熱電偶的冷端延長(zhǎng)到溫度相對(duì)穩(wěn)定的地方。只有當(dāng)冷端溫度恒定時(shí)，產(chǎn)生的熱電勢(shì)才與熱端溫度成單值函數(shù)關(guān)系。 所謂補(bǔ)償導(dǎo)線，實(shí)際上是一對(duì)材料化學(xué)成分不同的導(dǎo)線，在01 500溫度范圍內(nèi)與配接的熱電偶有一致的熱電特性，價(jià)格相對(duì)要便宜。 31補(bǔ)償導(dǎo)線連接示意圖 32使用補(bǔ)償導(dǎo)線必須注意以下幾個(gè)問(wèn)題。 （1）兩根補(bǔ)償導(dǎo)線與兩個(gè)熱電極的結(jié)點(diǎn)必須具有相同的溫度。 （2）只能與相應(yīng)型號(hào)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(bǔ)償導(dǎo)線負(fù)極的顏色均為白色。333計(jì)算修正法 兩種方法解決了一個(gè)問(wèn)題，即設(shè)法使

15、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(cè)出的熱電勢(shì)還是不能正確反映熱端的實(shí)際溫度。為此，必須對(duì)溫度進(jìn)行修正。 AB0AB1AB0( ,)( , )( ,)Et tEt tEt t344電橋補(bǔ)償法 計(jì)算修正法雖然很精確，但不適合連續(xù)測(cè)溫，為此，有些儀表的測(cè)溫線路中帶有補(bǔ)償電橋，利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢(shì)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度波動(dòng)引起的熱電勢(shì)的變化。 35 電橋補(bǔ)償電路 在橋路設(shè)計(jì)時(shí)，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(rèn)為其具有恒流特性 366.3熱電偶溫度傳感器的應(yīng)用 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)利用熱電偶測(cè)量爐溫的誤差分析 371工作原理 由毫伏定值器給出設(shè)定溫度的相應(yīng)毫伏值，如熱電偶的熱電勢(shì)與定值器的輸出值有偏差，則說(shuō)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(guò)晶閘管觸發(fā)器去推動(dòng)晶閘管執(zhí)行器，從而調(diào)整爐絲的加熱功率，消除偏差，達(dá)到控溫的目的。 常用爐溫測(cè)量采用的熱電偶測(cè)量系統(tǒng)圖 382由熱電偶