傳感器與檢測(cè)技術(shù)課件第五章

第五章熱電偶傳感器學(xué)習(xí)目標(biāo)與任務(wù)1.了解熱電偶的工作原理與結(jié)構(gòu)類型2.掌握熱電偶的型號(hào)構(gòu)成及選用方法3.學(xué)會(huì)用其進(jìn)行溫度測(cè)量4.了解常見熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)的組成與功能一、熱電效應(yīng)

第一節(jié)熱電偶工作原理

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

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

(2)性能穩(wěn)定

(3)物理化學(xué)性能好2、熱電偶的結(jié)構(gòu)1）普通工業(yè)裝配式熱電偶的結(jié)構(gòu)

熱電偶通常由熱電極、絕緣管、保護(hù)套管和接線盒等幾個(gè)主要部分組成。2）鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu)

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(cè)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。鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu)3、熱電偶的種類1）標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶2）非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶非標(biāo)準(zhǔn)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(hào)“B”；鉑銠10-鉑熱電偶，分度號(hào)“S”；鎳鉻-鎳硅熱電偶，分度號(hào)“K”；鎳鉻-康銅熱電偶，分度號(hào)“E”；鐵-康銅熱電偶，分度號(hào)“J”；銅-康銅熱電偶，分度號(hào)“T”。4.型號(hào)表示第三節(jié)熱電偶的應(yīng)用1.觀察熱電偶在爐溫控制中的應(yīng)用參觀過程控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的退火爐爐溫控制系統(tǒng)，注意仔細(xì)觀察熱電偶的安裝方法和位置，弄清它的作用和選用關(guān)鍵。了解這一系統(tǒng)的工作原理。2.觀察實(shí)訓(xùn)臺(tái)中的熱電偶實(shí)物仔細(xì)觀察實(shí)訓(xùn)室里提供的熱電偶實(shí)物，弄清其型號(hào)及輸出線的聯(lián)接。掌握用熱電偶測(cè)量溫度的基本方法。根據(jù)輸出電壓，對(duì)照分度表得被測(cè)量溫度。3.動(dòng)手測(cè)水溫按照要求測(cè)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(shù)字毫伏表，得到輸出電壓，查相應(yīng)的熱電偶分度表得出水的溫度。4.冷端補(bǔ)償由于熱電偶產(chǎn)生的電勢(shì)與兩端溫度有關(guān)，只有將冷端溫度保持恒定才能使熱電勢(shì)正確反映熱端的被測(cè)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(bǔ)償措施，主要有：冷端恒溫法、補(bǔ)償導(dǎo)線法、計(jì)算修正法和電橋補(bǔ)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(nèi)。用于實(shí)驗(yàn)室或精密的溫度測(cè)量。（2）其他恒溫器將熱電偶的冷端置于各種恒溫器內(nèi)，使之保持溫度恒定，避免由于環(huán)境溫度的波動(dòng)而引入誤差。這類恒溫器的溫度不為0℃，需對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端溫度修正。2）補(bǔ)償導(dǎo)線法由于受到材料價(jià)格的限制不可能做很長，而要使其冷端不受測(cè)溫對(duì)象的溫度影響，必須使冷端遠(yuǎn)離溫度對(duì)象，采用補(bǔ)償導(dǎo)線可以做到這一點(diǎn)。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0～150℃溫度范圍內(nèi)與配接的熱電偶有一致的熱電特性，但價(jià)格相對(duì)要便宜。

若我們利用補(bǔ)償導(dǎo)線，將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場(chǎng)所(如儀表室)，其實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于將熱電極延長。根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的二個(gè)接點(diǎn)溫度一致，是不會(huì)影響熱電動(dòng)勢(shì)輸出的。下面以爐溫測(cè)量為例說明補(bǔ)償導(dǎo)線的作用。

如采用鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)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(bǔ)償時(shí)輸入儀表的熱電勢(shì)為：E(800,50)=33.277－2.022=31.255mV（相當(dāng)于751℃

），采用補(bǔ)償導(dǎo)線后則為：E(800,20)=33.277－0.798=32.479mV（相當(dāng)于781℃

），效果顯著。3）計(jì)算修正法（軟件法）測(cè)量值再加上冷端溫度到0℃的熱電勢(shì)，現(xiàn)可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算補(bǔ)償。例用Ｋ型熱電偶測(cè)溫度，冷端為40℃，測(cè)得的熱電勢(shì)為29.188(mV)，求被測(cè)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(bǔ)償法熱電偶的電勢(shì)與溫度為非線性關(guān)系；而電阻與溫度的關(guān)系是線性的，故是近似關(guān)系。補(bǔ)償原理見下圖：圖中R1與R2阻值遠(yuǎn)大于其它電阻，使橋路具有恒流性質(zhì)，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(bǔ)償熱電偶冷端溫度的改變，自動(dòng)補(bǔ)償?shù)臈l件為：

Δe=I1RCMαΔt5.測(cè)量電路多個(gè)熱電偶使用時(shí)有串聯(lián)和并聯(lián)之分，串聯(lián)可提高測(cè)量靈敏度，并聯(lián)用于測(cè)平均溫度。

1）測(cè)某一點(diǎn)的溫度：有冷端在儀表的內(nèi)外之分；在內(nèi)精度高但所需熱電偶較長，價(jià)格高，適用于測(cè)低溫且精度要求高的場(chǎng)合。

2）測(cè)兩點(diǎn)間的溫差6.介紹應(yīng)用實(shí)例鹽浴爐溫度控制系統(tǒng)用S型熱電偶檢測(cè)溫度信號(hào)，有冷端補(bǔ)償，溫度信號(hào)通過放大、采樣保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換再送單片機(jī)保存，采用分段查表法獲取各點(diǎn)溫度。選用可控硅過零觸發(fā)自動(dòng)控制鹽浴爐溫度，控制周期為2s?？砂搭A(yù)設(shè)溫度曲線進(jìn)行加熱，并可實(shí)時(shí)顯示加溫曲線。

1）系統(tǒng)總體方案本系統(tǒng)采用晶閘管調(diào)功實(shí)現(xiàn)鹽浴爐的溫度控制，即通過控制晶閘管導(dǎo)通與關(guān)斷的周波數(shù)比率，從而達(dá)到調(diào)功的目的。晶閘管的觸發(fā)由單片機(jī)控制，通過單片機(jī)編程可方便地實(shí)現(xiàn)按預(yù)定溫度曲線進(jìn)行加熱。鹽浴爐爐溫由熱電偶感應(yīng)，通過信號(hào)放大、采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換，再由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及線性化校正，以實(shí)現(xiàn)鹽浴爐實(shí)際溫度的檢測(cè)和顯示。其系統(tǒng)總體框圖如下：2）溫度檢測(cè)電路鹽浴爐常用溫度在800～1500℃之間，熱電偶是測(cè)溫的一次儀表，對(duì)它的選擇將直接影響檢測(cè)精度。目前測(cè)溫常選用K型鎳鉻-鎳硅熱電偶，它具有較好的溫度-熱電勢(shì)線性度，便于后續(xù)數(shù)據(jù)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(cè)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(diǎn)的熱電勢(shì)率K作為各段諸點(diǎn)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(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的誤差。熱電偶溫度檢測(cè)與放大電路如下圖。

其中Vi為熱電偶感應(yīng)的熱電勢(shì)輸入，經(jīng)自穩(wěn)零高精度運(yùn)放ICL7650放大后，V01=(R4+R5)*Vi/R4

再由第二級(jí)運(yùn)放μA741放大后V02=(R8+R7)·(R4+R5)·Vi/R4R5

最后，為實(shí)現(xiàn)阻抗變換匹配需射極跟隨器，也由μA741實(shí)現(xiàn)。A/D轉(zhuǎn)換選用ADC0809，數(shù)字量送單片機(jī)，進(jìn)行數(shù)值處理后得實(shí)際爐溫，送LED顯示。

3）過零檢測(cè)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(diào)壓來實(shí)現(xiàn)交流調(diào)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(diào)節(jié)導(dǎo)通角來實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，但改變電壓波形。過零觸發(fā)不改變電壓的波形而