傳感器與檢測技術課件第五章

第五章熱電偶傳感器學習目標與任務1.了解熱電偶的工作原理與結構類型2.掌握熱電偶的型號構成及選用方法3.學會用其進行溫度測量4.了解常見熱電偶測溫系統(tǒng)的組成與功能一、熱電效應

第一節(jié)熱電偶工作原理

將兩種不同材料的導體A和B串接成一個閉合回路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會產生熱電勢，形成電流，此現象稱為熱電效應。ABTT0k——玻耳茲曼常數，e——電子電荷量，T——接觸處的溫度，NA，NB——分別為導體A和B的自由電子密度。熱電偶測溫基本定律1)均質導體定律由一種均質導體組成的閉合回路，不論導體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產生熱電動勢。TT02)中間導體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要其兩端的溫度相等，該導體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。TT0V3)參考電極定律兩種導體A,B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產生的熱電動勢為已知，A和B兩極配對后的熱電動勢可用下式求得：ABTT0=ACTT0—CBTT03)中間溫度定律熱電偶在兩接點溫度t、t0時的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度為t、tn和tn、t0時的相應熱電動勢的代數和。中間溫度定律可以用下式表示：中間溫度定律為補償導線的使用提供了理論依據。第二節(jié)熱電偶的材料、結構及種類1、熱電偶的材料

根據金屬的熱電效應原理，任意兩種不同材料的導體都可以作為熱電極組成熱電偶在實際應用中，用作熱電極的材料應具備如下幾方面的條件：(1)溫度測量范圍廣

(2)性能穩(wěn)定

(3)物理化學性能好2、熱電偶的結構1）普通工業(yè)裝配式熱電偶的結構

熱電偶通常由熱電極、絕緣管、保護套管和接線盒等幾個主要部分組成。2）鎧裝熱電偶的結構

鎧裝熱電偶具有能彎曲、耐高壓、熱響應時間快和堅固耐用等許多優(yōu)點，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、記錄儀表和電子調節(jié)器配套使用，同時亦可作為裝配式熱電偶的感溫元件。鎧裝熱電偶結構3、熱電偶的種類1）標準型熱電偶2）非標準型熱電偶非標準型熱電偶包括鉑銠系、銥銠系及鎢錸系熱電偶等。

主要有：鉑銠30-鉑銠6熱電偶，分度號“B”；鉑銠10-鉑熱電偶，分度號“S”；鎳鉻-鎳硅熱電偶，分度號“K”；鎳鉻-康銅熱電偶，分度號“E”；鐵-康銅熱電偶，分度號“J”；銅-康銅熱電偶，分度號“T”。4.型號表示第三節(jié)熱電偶的應用1.觀察熱電偶在爐溫控制中的應用參觀過程控制重點實驗室的退火爐爐溫控制系統(tǒng)，注意仔細觀察熱電偶的安裝方法和位置，弄清它的作用和選用關鍵。了解這一系統(tǒng)的工作原理。2.觀察實訓臺中的熱電偶實物仔細觀察實訓室里提供的熱電偶實物，弄清其型號及輸出線的聯接。掌握用熱電偶測量溫度的基本方法。根據輸出電壓，對照分度表得被測量溫度。3.動手測水溫按照要求測量開水的溫度，倒一杯開水，將熱電偶放入其中，并將引出線接入數字毫伏表，得到輸出電壓，查相應的熱電偶分度表得出水的溫度。4.冷端補償由于熱電偶產生的電勢與兩端溫度有關，只有將冷端溫度保持恒定才能使熱電勢正確反映熱端的被測溫度，由于很難保證冷端溫度在恒定0℃故常采取一些冷端補償措施，主要有：冷端恒溫法、補償導線法、計算修正法和電橋補償法等幾種。1）冷端恒溫法（1）0℃恒溫器將熱電偶的冷端置于溫度為0℃的恒溫器內。用于實驗室或精密的溫度測量。（2）其他恒溫器將熱電偶的冷端置于各種恒溫器內，使之保持溫度恒定，避免由于環(huán)境溫度的波動而引入誤差。這類恒溫器的溫度不為0℃，需對熱電偶進行冷端溫度修正。2）補償導線法由于受到材料價格的限制不可能做很長，而要使其冷端不受測溫對象的溫度影響，必須使冷端遠離溫度對象，采用補償導線可以做到這一點。所謂補償導線，實際上是一對材料化學成分不同的導線，在0～150℃溫度范圍內與配接的熱電偶有一致的熱電特性，但價格相對要便宜。

若我們利用補償導線，將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場所(如儀表室)，其實質是相當于將熱電極延長。根據中間溫度定律，只要熱電偶和補償導線的二個接點溫度一致，是不會影響熱電動勢輸出的。下面以爐溫測量為例說明補償導線的作用。

如采用鎳鉻-鎳硅熱電偶測爐溫，熱端為800℃，冷端為50℃

，儀表室為20℃

，先分別查表得：E（800,0）=33.277mV、E(50,0)=2.022mV和E(20,0)=0.798mV。則不補償時輸入儀表的熱電勢為：E(800,50)=33.277－2.022=31.255mV（相當于751℃

），采用補償導線后則為：E(800,20)=33.277－0.798=32.479mV（相當于781℃

），效果顯著。3）計算修正法（軟件法）測量值再加上冷端溫度到0℃的熱電勢，現可利用計算機進行自動計算補償。例用Ｋ型熱電偶測溫度，冷端為40℃，測得的熱電勢為29.188(mV)，求被測溫度T。解：已知e(t,40)=29.188(mV)

查E(40,0)=1.611(mV)故E(t,0)=29.188+1.611=30.799(mV)

查K型分度表得：T=740℃4）電橋補償法熱電偶的電勢與溫度為非線性關系；而電阻與溫度的關系是線性的，故是近似關系。補償原理見下圖：圖中R1與R2阻值遠大于其它電阻，使橋路具有恒流性質，并使I1=I2=0.5mA；因此，其輸出電壓：

U=e+URCM－UR5利用e與URCM的相反變化來補償熱電偶冷端溫度的改變，自動補償的條件為：

Δe=I1RCMαΔt5.測量電路多個熱電偶使用時有串聯和并聯之分，串聯可提高測量靈敏度，并聯用于測平均溫度。

1）測某一點的溫度：有冷端在儀表的內外之分；在內精度高但所需熱電偶較長，價格高，適用于測低溫且精度要求高的場合。

2）測兩點間的溫差6.介紹應用實例鹽浴爐溫度控制系統(tǒng)用S型熱電偶檢測溫度信號，有冷端補償，溫度信號通過放大、采樣保持、模數轉換再送單片機保存，采用分段查表法獲取各點溫度。選用可控硅過零觸發(fā)自動控制鹽浴爐溫度，控制周期為2s?？砂搭A設溫度曲線進行加熱，并可實時顯示加溫曲線。

1）系統(tǒng)總體方案本系統(tǒng)采用晶閘管調功實現鹽浴爐的溫度控制，即通過控制晶閘管導通與關斷的周波數比率，從而達到調功的目的。晶閘管的觸發(fā)由單片機控制，通過單片機編程可方便地實現按預定溫度曲線進行加熱。鹽浴爐爐溫由熱電偶感應，通過信號放大、采樣保持、A/D轉換，再由單片機進行數據處理及線性化校正，以實現鹽浴爐實際溫度的檢測和顯示。其系統(tǒng)總體框圖如下：2）溫度檢測電路鹽浴爐常用溫度在800～1500℃之間，熱電偶是測溫的一次儀表，對它的選擇將直接影響檢測精度。目前測溫常選用K型鎳鉻-鎳硅熱電偶，它具有較好的溫度-熱電勢線性度，便于后續(xù)數據處理，但它不宜長期在1300℃左右的高溫下使用。因此，這里選用S型鉑銠-鉑熱電偶，其測溫范圍為0～1600℃，它與K型相比，有較高的精度，但它的線性度較差。

為此，采取每10℃分一段，800～1500℃之間共分70段，在每一段中取各段中點的熱電勢率K作為各段諸點熱電熱率的平均值。該近似修正方法誤差小，不超過放大電路和A/D轉換等環(huán)節(jié)所產生的誤差。熱電偶溫度檢測與放大電路如下圖。

其中Vi為熱電偶感應的熱電勢輸入，經自穩(wěn)零高精度運放ICL7650放大后，V01=(R4+R5)*Vi/R4

再由第二級運放μA741放大后V02=(R8+R7)·(R4+R5)·Vi/R4R5

最后，為實現阻抗變換匹配需射極跟隨器，也由μA741實現。A/D轉換選用ADC0809，數字量送單片機，進行數值處理后得實際爐溫，送LED顯示。

3）過零檢測及晶閘管觸發(fā)電路本系統(tǒng)采用雙向晶閘管，即可控硅作為輸出功率控制部件，通過可控硅調壓來實現交流調功。觸發(fā)有兩種方法，即移相觸發(fā)和過零觸發(fā)。移相觸發(fā)是通過改變電壓調節(jié)導通角來實現調壓，但改變電壓波形。過零觸發(fā)不改變電壓的波形而