熱電偶傳感器的應(yīng)用與發(fā)展

熱電偶傳感器的應(yīng)用與發(fā)展引文工作原理在大量的熱工儀器中，熱電偶作為溫度傳感器，得到了廣泛使用。它是利用熱電效應(yīng)來進(jìn)行工作的，其熱電勢率一般為幾十到幾μV/℃。所謂的熱電效應(yīng)，是指當(dāng)受熱物體中的電子（洞），因隨著溫度梯度由高溫區(qū)往低溫區(qū)移動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生電流或電荷堆積的一種現(xiàn)象。熱電偶是將兩種不同成份的導(dǎo)體，兩端經(jīng)焊接，形成回路，直接測量端叫工作端（熱端），接線端子端叫冷端。當(dāng)熱端和冷端存在溫差時(shí)，就會(huì)在回路里產(chǎn)生熱電流，接上顯示儀表，儀表上就會(huì)指示所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢的對應(yīng)溫度值。電動(dòng)勢隨溫度升高而增長。由于熱電偶直接和被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響，因而測量精度高，并且可以在-200～+1600℃范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)測量，甚至有些特殊熱電偶，如鎢-錸，可測量高達(dá)+2800℃的高溫，且構(gòu)造簡單，使用方便。但是，熱電偶只產(chǎn)生毫伏（mV）級輸出，且需冷接點(diǎn)補(bǔ)償（CJC）技術(shù)，延長時(shí)需補(bǔ)償導(dǎo)線。補(bǔ)償原理利用熱電偶傳感器測量溫度時(shí)，冷端溫度的影響是不可忽略的，且熱電偶冷端暴露于作業(yè)環(huán)境中，可以認(rèn)為冷端溫度與作業(yè)環(huán)境溫度一致。作業(yè)環(huán)境溫度隨季節(jié)氣候變化而變化，因此冷端溫度的測定是動(dòng)態(tài)測定，冷端電勢補(bǔ)償是動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。在熱電偶冷熱端電勢關(guān)系中，有如下公式存在：EAB(t，0)=EAB(t，tn)+EAB(tn，0)其中，t為實(shí)測溫度；tn為冷端溫度；EAB（t，0）為冷端溫度為0℃時(shí)，熱電偶電勢輸出；EAB(t，tn)為冷端溫度為tn℃時(shí)，熱電偶電勢輸出；EAB(tn，0)為冷端補(bǔ)償電勢。上式中，EAB(t，tn)可直接從熱電偶輸出中檢測到，只要獲取冷端溫度tn，就可以由分度表換算出EAB(tn，0)，進(jìn)而求出EAB(t，0)。于是完成了冷端電勢補(bǔ)償，并可換算出實(shí)測溫度t。圖1熱電偶原理圖結(jié)構(gòu)與分類工業(yè)熱電偶作為測量溫度的傳感器，通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用，它可以直接測量各種生產(chǎn)過程中0~1800℃范圍的液體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體表面的溫度。裝配式熱電偶是由感溫元件（熱電偶芯）、不銹鋼保護(hù)管、接線盒以及各種用途的固定裝置組成。鎧裝式熱電偶比裝配式熱電偶具有外徑小、可任意彎曲、抗震性強(qiáng)等特點(diǎn)。適宜安裝在裝配式熱電偶無法安裝的場合，它的外保護(hù)管采用不同材料的不銹鋼管（適合不同使用溫度的需要），內(nèi)充滿高密度氧化物質(zhì)絕緣體，非常適合安裝在環(huán)境惡劣的場合。隔爆式熱電偶通常用于生產(chǎn)現(xiàn)場伴有各種易燃、易爆等化學(xué)氣體。如果使用普通熱電偶極易引起環(huán)境氣體爆炸，因此在這種場合必須使用隔爆熱電偶，隔爆熱電偶適用在dⅡBT1—6及dⅡCT1—6溫度組別區(qū)間內(nèi)具有爆炸性氣體的危險(xiǎn)場所內(nèi)。熱電偶的主要種類區(qū)別在其熱電偶芯（兩根偶絲）的材質(zhì)不同而不同，它所輸出的電動(dòng)勢也不同，熱電偶主要有以下幾種：名稱型號（代號）分度號測溫范圍（℃）允許偏差（℃）鎳鉻-鎳硅WRNK0—1200±2.5或0.75%︱t︱鎳鉻-銅鎳WREE0—900±2.5或0.75%︱t︱鉑銠10-鉑WRPS0—1600±1.5或0.25%︱t︱鉑銠30-鉑銠6WRRB600—1700±1.5或0.25%︱t︱銅-銅鎳WRCT-40—350±1.0或0.75%︱t︱鐵-銅鎳WRFJ-40—750±2.5或0.75%︱t︱說明：表中“t”為實(shí)測溫度；代號后加“K”字即為鎧裝式熱電偶。圖2電偶的溫度特性與賽貝克系數(shù)走向圖2給出了8種常用熱電偶電壓-溫度曲線。鐵、鉑、銠、銅、阿留邁合金（鎳鋁合金）、克露美爾合金（鎳鉻合金）和康銅（銅鎳合金）最為常用。如圖2所示，E型熱電偶最靈敏，對給定溫度變化能產(chǎn)生最大輸出電壓，而B型測溫范圍最寬，K型線性最佳。研究現(xiàn)狀與前景研究現(xiàn)狀熱電偶傳感器種類繁多，結(jié)構(gòu)多樣，測量范圍寬，因此在工程測溫上使用極為廣泛。鉑銠10-鉑熱電偶以其使用溫度高、穩(wěn)定性好，在IPTS-68溫標(biāo)中作為溫標(biāo)的內(nèi)插儀器。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)由于內(nèi)在缺陷，鉑銠10-鉑熱電偶的測量精度不能超過±0.2℃，并且偏離熱力學(xué)溫度也比較大，因此在新溫標(biāo)ITS-90中，鉑銠10-鉑熱電偶不再是溫標(biāo)的內(nèi)插儀器。但是熱電偶在測溫領(lǐng)域中的發(fā)展并沒有因此而停止，對熱電偶新材料和新結(jié)構(gòu)的研究更加深入，并取得了可喜的進(jìn)展。在人們開始對鉑銠10-鉑熱電偶進(jìn)行研究時(shí)就發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中鉑銠10-鉑熱電偶測量溫度值與溫差熱電勢的關(guān)系不是單一的函數(shù)關(guān)系，而與熱電偶絲所處環(huán)境的溫度梯度有關(guān)。換句話說如果將熱電偶的測溫端和參考端都放在恒溫器中，改變熱電偶測溫端和參考端之間溫場的分布，測量所得到的溫差熱電勢也隨之改變。我們把這種現(xiàn)象叫做熱電偶的不均勻現(xiàn)象。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要有兩個(gè)，一是熱電偶絲材存在著應(yīng)力，應(yīng)力使得熱電偶絲材金屬的熱電特性改變，通過足夠時(shí)間的退火可以消除此項(xiàng)的影響；二是熱電偶絲材成分的不均勻，這個(gè)問題是在熱電偶絲材的制造過程中產(chǎn)生的，因?yàn)槎鄶?shù)熱電偶的材料是采用合金材料，在材料的熔煉配置過程中，很難使得生產(chǎn)出來的熱電偶絲每一段的成分都一樣，并且在制造成型后，更無法改變它的成分的均勻性。要從根本上解決熱電偶不均勻性帶來問題，必須從熱電偶的材料入手，各國目前都著手研究使用純金屬材料來制作熱電偶。因?yàn)榧兘饘僦瞥傻臒犭娕疾牧峡蓮母旧辖鉀Q因材料不均勻而引起的熱電偶不均勻問題。目前金/鉑熱電偶,鉑/鈀熱電偶是各國研究的熱點(diǎn)。除了在熱電偶材料上改進(jìn)外，人們對熱電偶的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了探索。傳統(tǒng)的熱電偶在結(jié)構(gòu)上將熱電偶電極的兩種金屬材料直接焊接在一起而構(gòu)成測溫端，使用雙孔絕緣管(通常為氧化鋁)將其隔離，人們發(fā)現(xiàn)在將熱電偶放入較高溫度時(shí)，由于構(gòu)成熱電偶兩極的金屬材料的熱膨脹系數(shù)不同，而雙孔絕緣管又將熱電偶兩極卡住，這樣使得熱電偶的測溫端產(chǎn)生了機(jī)械應(yīng)力，這些機(jī)構(gòu)應(yīng)力勢必產(chǎn)生附加熱電勢。為了消除機(jī)械應(yīng)力的影響，人們在熱電偶的測溫端做了改進(jìn)，在熱電偶的測溫端不將正負(fù)電極直接焊接上，而用應(yīng)力消除圈將熱電偶的正負(fù)電極連接起來，這樣在熱電偶測溫時(shí)由其兩極金屬材料的熱膨脹系數(shù)差異而產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力將得到基本消除。發(fā)展方向國內(nèi)外的許多研究機(jī)構(gòu)和制造商，根據(jù)工業(yè)過程自動(dòng)化的檢測和控制要求，不斷設(shè)計(jì)和制造出許多新的熱電偶，目前的發(fā)展趨勢大致如下:產(chǎn)品結(jié)構(gòu)鎧裝化鎧裝熱電偶具有壽命長、可彎曲、熱響應(yīng)時(shí)間小、耐震動(dòng)等的優(yōu)點(diǎn)，倍受用戶青睞。它將逐步地代替過去用絕緣瓷珠穿絲的裝配結(jié)構(gòu)型式。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)安裝套管化由于熱電偶檢測元件實(shí)現(xiàn)了鎧裝化，因此可以做到整機(jī)與套管分離成兩部分，用戶可以預(yù)先將套管安裝在工業(yè)過程設(shè)備上，熱電偶可以在不停機(jī)的情況下安裝或拆卸，設(shè)備中的介質(zhì)不泄漏，既可靠又安全。檢測、信號轉(zhuǎn)換和現(xiàn)場顯示一體化隨著電子產(chǎn)品的小型化，原來作為直流4～20mA或1～5V標(biāo)準(zhǔn)信號傳輸?shù)臒犭娕枷盗械臏囟茸兯推饕惨研⌒突?，可以安裝在現(xiàn)場的熱電偶接線盒內(nèi)與熱電偶成為一體，且只需用兩根普通導(dǎo)線連接而不必使用較為昂貴的補(bǔ)償導(dǎo)線。檢測、信號轉(zhuǎn)換和顯示成為一體的帶轉(zhuǎn)換器、帶顯示的熱電偶則可滿足現(xiàn)場顯示的需要。近年來，現(xiàn)場總線已廣泛應(yīng)用于許多自動(dòng)化控制領(lǐng)域，帶智能型轉(zhuǎn)換器的熱電偶也已面世。它采用二線制4～20mA或數(shù)字化輸，通過手持終端操作器接在4～20mA任意位置，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號通訊的現(xiàn)場或遠(yuǎn)距離重調(diào)。它還具有PID的控制功能。在這種情況下，4～20mA作為控制輸出，過程變量是測量的溫度值,，設(shè)置則可由操作者直接或使用一個(gè)可組態(tài)的設(shè)置操作器來調(diào)整，其輸出信號可接到執(zhí)行單元；同時(shí)信號的數(shù)字部分提供過程變量、輸出、設(shè)置和其他轉(zhuǎn)換參數(shù)或PID參數(shù)。應(yīng)用分析應(yīng)用實(shí)例鎧裝熱電偶具有能彎曲、耐高壓、熱響應(yīng)時(shí)間快和堅(jiān)固耐用等許多優(yōu)點(diǎn)，它和工業(yè)用裝配式熱電偶一樣，作為測量溫度的變送器，通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用，同時(shí)亦可作為裝配式熱電偶的感溫元件。它可以直接測量名種生產(chǎn)過程中從0~800℃范圍內(nèi)的液體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體表面的溫度。圖3鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu)是由導(dǎo)體、高絕緣氧化鎂、外套1Cr18Ni9Ti不銹鋼保護(hù)管，經(jīng)多次一體拉制而成。鎧裝熱電偶產(chǎn)品主要由接線盒、接線端子和鎧裝熱電偶組成基本結(jié)構(gòu)，并配以各種安裝固定裝置組成。鎧裝熱電偶分絕緣式和接殼式兩種?；炯夹g(shù)指標(biāo)：類別（代號）分度號套管外徑（d）常用溫度（℃）最高使用溫度（℃）允許偏差△t測溫范圍（℃）允差值鎳鉻—康銅

WREKE≥φ36007000～700±2.5℃或

±0.75%t鎳鉻—鎳硅

WRNKK≥φ38009500～900±2.5℃或

±0.75%t銅—康銅

WRCKT≥φ3350400<-200未作規(guī)定-40～350±1℃或

±0.75%t注:1、t為被測溫度的絕對值

2、T型分度號產(chǎn)品需與廠方協(xié)商訂貨接口電路由于熱電偶只產(chǎn)生毫伏級輸出，考慮到單片機(jī)的采樣要求，要對輸出信號采取線性放大。采用下圖所示的放大電路可將輸出放大100倍。圖4熱電偶放大電路為了維持熱電偶傳感器系統(tǒng)的精度，參考接點(diǎn)必須處于嚴(yán)格定義的溫度。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)環(huán)境參考溫度發(fā)生變化時(shí)，必須引入補(bǔ)償。圖5冷端補(bǔ)償電路采用電子冷端補(bǔ)償是非常有效的做法。如圖所示，R1為上拉電阻，一方面產(chǎn)生了偏置，有效改善運(yùn)放的輸入失調(diào)，另一方面起“斷偶報(bào)警”作用，因當(dāng)熱電偶長期使用老化開裂后呈開路形式，有R1將輸入拉高，超越了正常輸入范圍，同時(shí)為防止對電勢的影響，通常R1不小于20M。R2、C1組成一階低通濾波器。VR1用于調(diào)整0輸入時(shí)的靜態(tài)偏差，而R4、VR2與R3決定同相放大器的環(huán)路放大倍數(shù)（選擇同相形式可充分利用同相器的高阻抗特性）。輸出電壓的比例因子取決于電路中R5、VR3、R6的分壓比。對照熱電偶的溫度系數(shù)，適當(dāng)調(diào)整VR3，便可實(shí)現(xiàn)冷端受環(huán)境溫度變化的完全補(bǔ)償。參考文獻(xiàn)[1]百度百科，詞條“熱電偶”、“熱電效應(yīng)”；[2]百度文庫，《熱電偶型號》；[3]馬西秦主編，自動(dòng)檢測技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，2008.9；[4]鄭瑋、向明東、陳偉昕，熱電偶精密測溫技術(shù)的發(fā)展方向，《現(xiàn)代測量與實(shí)驗(yàn)室管理》2002年第4期；[5]游伯坤，熱電偶與熱電阻的新發(fā)展，中國儀電報(bào)，1999212201第4版；[6]陳浩、鄧忠華、余紅梅，熱電偶測溫系統(tǒng)原理及應(yīng)用，《制造業(yè)自動(dòng)化》，第26卷第9期，2004.9；[7]吳志祥，實(shí)用溫度測量技術(shù)，《常州工學(xué)院學(xué)報(bào)》，VOL.16NO.4，2003.10；[8]張慶玲，熱電偶傳感器測溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用，《西北輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)》，VOL.18，2000.3；[9]張成文、蒼松，智能溫度監(jiān)測系統(tǒng)，《佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)》，VOL.18NO.1，2000.3；[10]王魁漢、樊世川、崔傳孟、周瑋、李鵬，工業(yè)用新型溫度傳感器的開發(fā)與應(yīng)用，《工業(yè)加熱》，1999年第3期。第十三章：干燥通過本章的學(xué)習(xí)，應(yīng)熟練掌握表示濕空氣性質(zhì)的參數(shù)，正確應(yīng)用空氣的H–I圖確定空氣的狀態(tài)點(diǎn)及其性質(zhì)參數(shù)；熟練應(yīng)用物料衡算及熱量衡算解決干燥過程中的計(jì)算問題；了解干燥過程的平衡關(guān)系和速率特征及干燥時(shí)間的計(jì)算；了解干燥器的類型及強(qiáng)化干燥操作的基本方法。二、本章思考題1、工業(yè)上常用的去濕方法有哪幾種？態(tài)參數(shù)？11、當(dāng)濕空氣的總壓變化時(shí)，濕空氣H–I圖上的各線將如何變化?在t、H相同的條件下，提高壓力對干燥操作是否有利?為什么?12、作為干燥介質(zhì)的濕空氣為什么要先經(jīng)預(yù)熱后再送入干燥器？13、采用一定濕度的熱空氣干燥濕物料，被除去的水分是結(jié)合水還是非結(jié)合水？為什么？14、干燥過程分哪幾種階段？它們有什么特征？15、什么叫臨界含水量和平衡含水量？16、干燥時(shí)間包括幾個(gè)部分？怎樣計(jì)算？17、干燥哪一類物料用部分廢氣循環(huán)？廢氣的作用是什么？18、影響干燥操作的主要因素是什么？調(diào)節(jié)、控制時(shí)應(yīng)注意哪些問題？三、例題例題13-1：已知濕空氣的總壓為101.3kN/m2,相對濕度為50%，干球溫度為20oC。試用I-H圖求解：(a)水蒸汽分壓p；(b)濕度Ｈ；(c)熱焓Ｉ；(d)露點(diǎn)td；(e)濕球溫度tw；(f)如將含500kg/h干空氣的濕空氣預(yù)熱至117oC，求所需熱量Ｑ。解：由已知條件：Ｐ＝101.3kN/m2，Ψ0＝50%，t0=20oC在I-H圖上定出濕空氣的狀態(tài)點(diǎn)Ａ點(diǎn)。(a)水蒸汽分壓p過預(yù)熱器氣所獲得的熱量為每小時(shí)含500kg干空氣的濕空氣通過預(yù)熱所獲得的熱量為例題13-2：在一連續(xù)干燥器中干燥鹽類結(jié)晶，每小時(shí)處理濕物料為1000kg，經(jīng)干燥后物料的含水量由40%減至5%（均為濕基），以熱空氣為干燥介質(zhì)，初始濕度H1為0.009kg水?kg-1絕干氣，離開干燥器時(shí)濕度H2為0.039kg水?kg-1絕干氣，假定干燥過程中無物料損失，試求：水分蒸發(fā)是qm,W（kg水?h-1）；空氣消耗qm,L（kg絕干氣?h-1）；原濕空氣消耗量qm,L’（kg原空氣?h-1）；（3）干燥產(chǎn)品量qm,G