自动检测技术第7章-热电偶传感器课件.ppt

1、 第一节第一节 热电偶工作原理及基本定律热电偶工作原理及基本定律第二节第二节 热电偶的材料、结构及种类热电偶的材料、结构及种类第三节第三节 热电偶的冷端补偿热电偶的冷端补偿第四节第四节 热电偶测温电路热电偶测温电路 热电偶传感器基于热电效应原热电偶传感器基于热电效应原理而工作。属于有源传感器，使理而工作。属于有源传感器，使用时不需要外加电源，可以方便用时不需要外加电源，可以方便地测量炉子、管道中的气体或液地测量炉子、管道中的气体或液体温度，也可以测量固体表面温体温度，也可以测量固体表面温度。度。热电偶传感器结构简单、制造热电偶传感器结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯方便、测量范围广、精

2、度高、惯性小、便于远距离传送。性小、便于远距离传送。第一节第一节 热电偶工作原理及基本定律热电偶工作原理及基本定律 1.两种不同导体 2.接成闭合回路 3.两个接点处温度不同回路中会产生热电动势回路中会产生热电动势一、热电效应一、热电效应 热电动势热电动势（电荷扩散）温差电动势温差电动势:同一导体上因两端温度不同引起。接触电动势接触电动势:两种不同导体的接触引起。BtAtABte)(000)(BtAtABte00),(AtAtAtte00),(BtBtBtteBt0BtAt0At热电偶回路总电动势热电偶回路总电动势),(),()()(),(0000ttettetetettEBAABABAB热电

3、偶回路中的温差电动势很小，忽略之，可得：)()(),(00tetettEABABAB)()(0teteBAAB（t0端以端以B为正）为正）结论：结论：热电偶回路中热电动势的大小：（1）取决于两接点间的温度差，（2）取决于两种不同电极的材料。与电路形状无关。)()(),(00tftfttEAB如果冷端温度t0不变，被测温度t可通过温差电动势获得。一、热电偶基本定律一、热电偶基本定律),(),(),(000ttEttEttEBCACAB1.1.均质导体定律均质导体定律 如果构成热电偶的两种材料相同，不会产生热电动势。利用该定律，可以检查两种热电极材料是否相同，或一种热电极材料是否均匀。2.2.中间

4、导体定律中间导体定律 断开热电偶回路，接入第三种导体，只要两个新接入点等温，则回路总热电动势不变。该定律说明在冷端接入放大电路，不会影响结果。3.3.标准电极定律标准电极定律 如果已知两种导体分别对第三种导体的热电动势，则前两种导体之间的热电动势可求。),(0ttEAB),(nABttE),(0ttEnAB),(),(),(00ttEttEttEnnAB则：根据该定律，热电偶本身的导线如果不够长，可以用同样性质（同样热电特性）的补偿导线加以延长。延长后的热电动势与延长线的中间温度无关，只与延长后的两端温度有关。4.4.中间温度定律中间温度定律 如果热电偶 在两端接点温度t、t0时的热电动势为

5、在两端接点温度t、tn时的热电动势为 在两端接点温度tn、t0时的热电动势为 第二节第二节 热电偶材料、结构及种类热电偶材料、结构及种类 对制成热电偶的材料的要求：（1）温度测量范围广，温度线性度好，测量精确度高，输出热电动势大。（2）热电性能稳定。（3）物理化学性能好。不蒸发、抗氧化等。标准热电偶有六种：铜-康铜 镍铬-考铜 镍铬-镍硅 镍铬-镍铝 铂铑10-铂 铂铑30-铂铑6 非标准热电偶：铂铑13-铂 铂铑-铱 等 发展中产品：镍铬-康铜 铁-康铜 一、热电偶材料1.普通工业热电偶的结构n（1）热电极n（2）绝缘管n（3）保护套管n(4)接线盒热电极热电极绝缘管绝缘管保护套管保护套管接

6、线盒接线盒二、热电偶结构n铠装型热电偶是将热电偶丝,绝缘材料和金属保护套管三者组合装配后,经过拉伸加工而成的一种坚实的组合体。铠装热电偶具有能弯曲、耐高压、热响应时间快和坚固耐用等许多优点，它和工业用装配式热电偶一样，作为测量温度的传感器，同时，亦可以作为装配式热电偶的感温组件。n（1）露端型n（2）接壳型n（3）绝缘型n（4）圆变截面型n（5）扁变截面型2.铠装热电偶的结构三、热电偶种类1.标准型热电偶（1）铂铑30-铂铑6 分度号B 01700度（2）铂铑10-铂 分度号S 0-1600度（3）镍铬-镍硅 分度号K -200-1200度(4)镍铬-康铜 分度号E -200-900度(5)铁

7、-康铜 分度号J -200-750度(6)铜-康铜 分度号T -200-350度标准热电偶的热电动势见表7-1。2.非标准型热电偶 铂铑系、铱铑系、钨铼系热电偶，用于高温测量，可达2500度。铂铑30-铂铑6 分度号B铂铑10-铂 分度号S镍铬-镍硅 分度号K镍铬-康铜 分度号E铁-康铜 分度号J铜-康铜 分度号T各类铠装热电偶第三节第三节 热电偶的冷端补偿热电偶的冷端补偿一、冷端恒温法 标准热电偶的热电动势分度表是以冷端温度为0度的条件下给出的。只有在冷端温度不变时，热端温度才能通过热电动势检测出来。如果冷端温度因环境而变化，会严重影响温度测量数据的精度。因此在实际使用时，必须对冷端温度的变

8、化进行修正和补偿。1.采用0度恒温器，保持冷端温度为0度。2.采用其他恒温器，保持冷端温度恒定。若不为0度，必须进行修正。二、补偿导线法 利用与热电偶热电特性一致的补偿导线，将热电偶延伸到恒温的冷端（如仪表室）。根据中间温度定律，只要补偿导线的两个接点温度一致，不会影响热电动势输出。补偿导线见图，类型见表。三、计算修正法 冷端温度不为0度时，测出的热电势不能正确反映热端的实际温度，需要进行计算修正，方法如下：),(),(),(0110ttEttEttEAB 例如，用镍铬-镍硅热电偶测炉温，当冷端温度为30（且为恒定时），测出热端温度为时的热电动势为39.17，求炉子的真实温度。由镍铬-镍硅热电

9、偶分度表查出（30，0）1.20，根据式（7-11）计算出：（t，t0）（39.17+1.20)40.37再通过分度表查出其对应的实际温度为:977四、电桥补偿法冷端冷端热端热端漆包铜电阻漆包铜电阻当温度升高当温度升高阻值增大阻值增大+-+-5RRCMUUeU恒定电阻恒定电阻冷端升温冷端升温不不变变变变大大变变小小taRIUeCMRCM1补偿条件：补偿条件：图中，为热电偶产生的热电动势，为回路的输出电压。回路中串接了一个补偿电桥。及均为桥臂电阻。是用漆包铜丝绕制成的，它和热电偶的冷端感受同一温度。均用锰铜丝绕成，阻值稳定。在桥路设计时，使，并且、的阻值要比桥路中其他电阻大得多。这样，即使电桥中

10、其他电阻的阻值发生变化，左右两桥臂中的电流却差不多保持不变，从而认为其具有恒流特性。线路设计使得0.5。回路输出电压为热电偶的热电动势、桥臂电阻的压降及另一桥臂电阻上的压降三者的代数和，即:当热电偶的热端温度一定，冷端温度升高时，热电动势将会减小。与此同时，铜电阻的阻值将增大，从而使增大，由此达到了补偿的目的。自动补偿的条件应为:式中，为热电偶冷端温度变化引起的热电动势的变化，它随所用的热电偶材料不同而异；为流过的电流，即0.5；为铜电阻的温度系数，一般取0.00391；为热电偶冷端温度的变化范围。)(311teIRCM 例如,在冷端温度变化范围050度情况下，铂铑10-铂热电偶的e=0.29

11、9,电流I1=0.5mA,补偿电阻的温度系数=0.00391/,补偿电阻大小可按补偿条件选择：五、采用PN结温度传感器作冷端补偿 采用结温度传感器作冷端补偿补偿电路如图所示。图中，热电偶产生的热电动势经1放大后通过9加到3的反相端，二极管作为结温度传感器，与4、5、构成直流电桥，置于热电偶的冷端处，当冷端不为零时，桥路有一个不平衡电动势输出，经2放大后通过10加到3的同相端，3的增益为，其输出为热电偶的热电动势与补偿电动势之和，从而达到了冷端温度自动补偿的目的。当冷端温度变化为时，补偿精度可达0.5。六、采用集成温度传感器作冷端补偿 TMP35的输出经 R1与R2的分压，R2上得到的压降V2为

12、冷端补偿电压，V1为热电势，Vo=V1+V2,为经补偿后的输出。图中冷端补偿采用TMP35，这是一种高精度的电压型集成温度传感器，其主要特点是：工作电压低，仅为2.75.5V；静态电流小于50mA；外围元件少，使用相当方便。TMP35的测温范围为+10+125C，正处于热电偶的冷端变化范围内，它的灵敏度为10mV/C,在0C时输出电压为0V，当温度为25C时，输出电压为250mV。这是采用该补偿器的热电偶测量电路，测温范围为0250C，用运放OP193作为放大器，相应的输出电压为02.5V（灵敏度为10mV/C）。图中，经TMP35补偿后的输出加到OP193的同相端，调节电位器RP1，改变放大

13、器的增益，使温度在250C时，输出2.5V即可。这是一个带冷端补偿及非线性校正的热电偶测温基本电路 冷端补偿采用电流型集成温度传感器AD592,其输出电流与绝对温度成正比。在0时，AD592输出电流为273.2A，灵敏度为1A/。对于K型热电偶，在25中心范围，具有40.44V/的温度系数。AD592输出电流在电阻Ra上转换为补偿电压。当环境温度为T时，适当调整Rw2，使得Ra上的压降为：（273.2+T）A40.44 上式说明AD592可以提供40.44V/的冷端补偿。但当T为零时，热电偶正极对地存在11.05mV的误差电压即,解决的方法是在运算放大器OP07的反相输入部分加偏置电压抵偿。在

14、电路中，通过AD538的4脚引出10V电压，经R1及R2分压，由于R1=1.1，R2=10k，故R1上的压降为11mV,从而引入了抵偿电压。)137(.)0,(2210NNABTaTaTaaTE 温差电势的近似表达式，可由切比雪夫(Chebyshev)展开式求得。(取到2次幂)147()(0347334.09952.24776.02mVUUUininout 非线性校正部分:测温电路配用K型热电偶，测温范围:0-600，要求相应的输出电压为0V-6V(6000mV)。K型热电偶0和600时的热电势分别为0mV和24.902mV,测温电路放大倍数应为:6000mV/24.902mv240.94。若

15、电路为线性,被测温度为300时,测温电路的输出电压为:12.207mV240.94 2941.15mV3000mV,仪表的指示并不是300.这是由热电偶本身的非线性造成的。利用高次多项式实现线性化。热电偶的温差电势可近似表示为：将600时的温差电势Uin=24.902mV代入上式，得到输出Uout=600mV，要得到满量程时6V的输出，将上式扩大10倍后得到：)157()(347334.0952.24976.72mVUUUininout 由上式可验证，300时，E=12.207mV，Uout=2991.6mV（相当于299.2）；600时，E=24.902mV，Uout=6001.2mV（相当

16、于600.1）。从而完成了非线性校正。式7-15就相当于给出了具有非线性校正的热电偶测温电路输入、输出表达式。电路中使用了非线性集成电路芯片AD538实现乘法及指数运算。对式（7-15）进行系数转换后得到：)167()()952.249(1056.5)952.249(76.726mVUUUininout若适当调整Rw1，使运放A1的增益为250倍，则输出Ua为:inaUU952.249 式（7-16）可写成：)177()(1056.576.726mVUUUaaoutUout=-7.76+Ua-0.0556Uo(mV)其输出UoUa2/10V，将其代入上式得到：根据图中的连接方式，AD538的输入UY=UZ=Ua，UX=10V，m=1第四节第四节 热电偶测温线路热电偶测温线路 一、测量某一点的温度热端热端热端热端冷端冷端冷端冷端补偿导线补偿导线补补偿偿导导线线（在表内）（在表内）（在表外）（在表外）二、测量两点间温度差 热电动势热电动势1 1热电动势热电动势2 2补偿导线补偿导线三、热电偶并联测多点平均温度四、热电偶串联增加测量灵敏度