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1、 軌道交通學院 School of Railway Transportation 第七章 熱電偶傳感器 熱電偶傳感器基于 熱電效應 原理而工作。屬于 有源 傳感器 ，使用時不需要外加電源，可以方便地測量爐子、 管道中的氣體或液體溫度，也可以測量固體表面溫度。 結構簡單、制造方便、測量范圍廣、精度高、慣性小、 便于遠距離傳送。 與熱電阻的主要區(qū)別： 1、原理不同 信號性質不同：熱電阻是阻值的變化，而熱 電偶是熱電動勢的變化。 2、測溫范圍：熱電阻適用于測低溫，而熱電偶適用于高溫 測量 3、材料不同：熱電阻是金屬材料，而熱電偶是雙金屬材料。 軌道交通學院 School of Railway Tra
2、nsportation 結論：當兩個結點溫 度不相同時，回路中 將產(chǎn)生電動勢。 熱電極 A 右端稱為： 自由端 （參考 端、 冷 端 ） 左端稱為： 測量端 （工作 端、 熱 端 ） 熱電極 B 熱電勢 A B 1.兩種 不同 導體 2.接成閉合 回路 3.兩個 接點 處溫度不同 回路中會產(chǎn)生 熱電動勢 。 熱電極 熱電偶 工作端（熱端）、自由端（冷端） 第一節(jié) 熱電偶的工作原理 一 、 熱電效應 軌道交通學院 School of Railway Transportation 從實驗到理論： 熱電效應（塞貝克效應） 1821年，德國物理學家 賽貝克 用兩種不同金 屬組成 閉合回路 ，并用酒精燈
3、加熱其中一個接觸 點（稱為結點），發(fā)現(xiàn)放在回路中的 指南針發(fā)生 偏轉 （說明什么？）， 如果用兩盞酒精燈對兩個 結點 同時加熱，指南針的偏轉角反而減小 （又說 明什么？） 。 顯然，指南針的偏轉說明回路中有電動勢產(chǎn) 生并有電流在回路中流動，電流的強弱與兩個結 點的溫差有關。 軌道交通學院 School of Railway Transportation 熱電動勢 （電荷擴散） 溫差電動勢 : 同一導體 上因兩端溫度不同引起。 接觸電動勢 : 兩種不同導體 的接觸引起。 BtAtAB UUte )( 000 )( BtAtAB UUte 00 ),( AtAtA UUtte 00 ),( BtB
4、tB UUtte BtU 0BtU AtU 0AtU 軌道交通學院 School of Railway Transportation 熱電偶回路總電動勢 ),(),()()(),( 0000 ttettetetettE BAABABAB 熱電偶回路中的溫差電動勢很小，忽略之，可得 )()(),( 00 tetettE ABABAB )()( 0tete BAAB （ t0端以 B為正） 結論： 熱電偶回路中熱電動勢的大?。海?1）取決于兩接 點間的溫度差，（ 2）取決于兩種不同電極的材料。與 熱電偶的形狀尺寸無關。 )()(),( 00 tftfttE AB 如果冷端溫度 t0不變， 被測溫度
5、 t可通過溫差電動勢獲得。 其順序表示電動勢的方向， 即由正到負 很小 軌道交通學院 School of Railway Transportation 二、 熱電偶基本定律 1.均質導體定律 ：如果構成熱電偶的兩種材料相同， 不會產(chǎn)生熱電動勢。 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。 2.中間導體定律 ：斷開熱電偶回路，接入第三種導體， 只要兩個新接入點等溫 ，則回路總熱電動勢不變。 該定律說明在回路中接入各種儀表，不會影響結果。 3.標準電極定律 ：如果已知兩種導體分別對第三種導 體的熱電動勢，則前兩種導體之間的熱電動勢可求。 簡化了各種金屬間組成的熱電偶的
6、熱電動勢的測量。 ),(),(),( 000 ttEttEttE BCACAB 軌道交通學院 School of Railway Transportation 4.中間溫度定律 ： 如熱電偶在兩端接點溫度 t、 t0時的熱電動勢為 在兩端接點溫度 t、 tn時的熱電動勢為 在兩端接點溫度 tn、 t0時的熱電動勢為 ),( 0ttE AB ),( nAB ttE ),( 0ttE nAB ),(),(),( 00 ttEttEttE nnAB 則： 根據(jù)該定律，熱電偶本身的導線如果不夠長，可 以用同樣性質（ 同樣熱電特性 ）的補償導線加以延長。 延長后的熱電動勢與延長線的中間溫度無關，只與延
7、長后的兩端溫度有關。 軌道交通學院 School of Railway Transportation 第二節(jié) 熱電偶材料、結構和種類 對制成熱電偶的材料 的要求： （ 1）溫度測量范圍廣，溫度線性度好，測量精確度高， 輸出熱電動勢大。 （ 2）熱電性能穩(wěn)定。 （ 3）物理化學性能好。不蒸發(fā)、抗氧化等。 我國標準熱電偶 有六種： 銅 -康銅 鎳鉻 -考銅 鎳鉻 -鎳硅 鎳鉻 -鎳鋁 鉑銠 10-鉑 鉑銠 30-鉑銠 6 非標準熱電偶 ： 鉑銠 13-鉑 鉑銠 -銥 等 發(fā)展中產(chǎn)品 ： 鎳鉻 -康銅 鐵 -康銅 一、 熱電偶材料 銠質量的百分比 軌道交通學院 School of Railway T
8、ransportation 用于制造 鉑 熱電偶 的各種 鉑 熱電偶絲 八種 國際通用熱電偶： B:鉑銠 30 鉑銠 6 、 R:鉑銠 13 鉑 、 S:鉑銠 10 鉑 、 K:鎳鉻 鎳硅 、 N:鎳鉻硅 鎳硅 、 E:鎳鉻 銅鎳 、 J:鐵 銅鎳 、 T:銅 銅鎳 軌道交通學院 School of Railway Transportation 1.普通工業(yè)熱電偶的結構 （ 1）熱電極（偶絲） 普通的直徑為 0.53.2mm 貴重的直徑為 0.30.6mm 長度為 3002000mm，一般 350mm （ 2）絕緣管 對熱電極間、熱電極與保護套管間 進行絕緣保護。 （ 3）保護套管 保護熱電偶
9、感溫元件免受被測介質 化學腐蝕和機械損傷 (4) 接線盒 固定接線座和作為連接補償導線的裝置。 有普通式、防濺式、防水式和接插座式。 二、 熱電偶結構 熱電極 絕緣管 保護套管 接線盒 軌道交通學院 School of Railway Transportation 普通裝配型 熱電偶的外形 安裝 螺紋 安裝 法蘭 軌道交通學院 School of Railway Transportation 普通裝配 型 熱電偶 的結構放 大圖 接線盒 引出線套管 固定螺紋 （出廠時用塑料包裹） 熱電偶工作端（熱端） 不銹鋼 保護管 軌道交通學院 School of Railway Transportatio
10、n 鎧裝型熱電偶 制造工藝： 把熱電極材料與高溫絕緣材料預置在金屬保護管中、 運用同比例壓縮延伸工藝、將這三者合為一體，制成各種直徑、 規(guī)格的鎧裝偶體，再截取適當長度、將工作端焊接密封、配置 接線盒即成為柔軟、細長的鎧裝熱電偶。 特點： 鎧裝熱電偶可以制作得很細，能解決 微小、狹窄場合 的測 溫問題，且具有抗震、可彎曲、超長等優(yōu)點。使用壽命長、機 械性能好、耐高壓、具有可撓性，因此應用廣泛。 根據(jù)被測介質的溫度、化學性質以及所需時間常數(shù)，其測量端有 5種形式 （ 1）露端型：測量溫度不高、無腐蝕性的介質，時間常數(shù)小、反映速度快。 （ 2）接殼型：測量溫度高、壓力高、腐蝕性較強的介質，時間常數(shù)較
11、露端型大， 壽命也較露端型長。 （ 3）絕緣型：使用范圍同上，具有電氣絕緣性能。 (4) 圓變截面型：時間常數(shù)小。 (5) 扁變截面型：時間常數(shù)最小。 軌道交通學院 School of Railway Transportation 鎧裝型熱電偶外形 法蘭 鎧裝型熱電偶可 長達上百米 薄壁金屬 保護套管 （鎧體） B A 絕緣 材料 鎧裝型熱電偶 橫截面 軌道交通學院 School of Railway Transportation 隔爆 型熱電偶外形 厚壁保護管 壓鑄的接線盒 電纜線 軌道交通學院 School of Railway Transportation 隔爆 型熱電偶 結構特點 ：隔
12、爆熱電偶的接線盒在設計時采用防 爆的特殊結構，它的接線盒是經(jīng)過 壓鑄 而成的，有一 定的厚度、隔爆空間， 機構強度 較高；采用螺紋隔爆 接合面，并采用密封圈進行密封，因此，當接線盒內 一旦放弧時，不會與外界環(huán)境的危險氣體傳爆，能達 到預期的防爆、隔爆效果。 使用場合： 工業(yè)用的隔爆型熱電偶多用于 化學工 業(yè)自控系統(tǒng)中 （由于在化工生產(chǎn)廠、生產(chǎn)現(xiàn)場常伴有 各種易燃、易爆等化學氣體或蒸汽，如果用普通熱電 偶則非常不安全、很容易引起環(huán)境氣體爆炸）。 軌道交通學院 School of Railway Transportation 其他 熱電偶外形 小形 K型熱電偶 軌道交通學院 School of R
13、ailway Transportation 二、 熱電偶種類 1.標準型熱電偶 （ 1）鉑銠 30-鉑銠 6 分度號 B 0 1700度 （ 2）鉑銠 10-鉑 分度號 S 0-1600度 （ 3）鎳鉻 -鎳硅 分度號 K -200-1200度 (4) 鎳鉻 -康銅 分度號 E -200-900度 (5) 鐵 -康銅 分度號 J -200-750度 (6) 銅 -康銅 分度號 T -200-350度 標準熱電偶的熱電動勢見表 7-1。 2.非標準型熱電偶 鉑銠系、銥銠系、鎢錸系熱電偶，用于高溫測量， 可達 2500度。 貴金屬 熱電偶 廉金屬 熱電偶 軌道交通學院 School of Rail
14、way Transportation 幾種常用熱電偶的測溫范圍及熱電勢 分度號 名稱 測量溫度范圍 1000C 熱電勢 / mV B 鉑銠 30鉑銠 6 50 1820 C 4.834 R 鉑銠 13 鉑 -50 1768 C 10.506 S 鉑銠 10 鉑 -50 1768 C 9.587 K 鎳鉻鎳鉻 (鋁 ) -270 1370 C 41.276 E 鎳鉻銅鎳 (康 銅 ) 270 800 C ? 5種熱電偶的測溫范圍與熱電勢各有什么特點？ 軌道交通學院 School of Railway Transportation 幾種常用熱電偶的熱電勢與 溫度的關系曲線分析 哪幾種熱 電偶的測溫
15、上 限較高？ 結論： 哪幾種熱電 偶的線性較差？ 哪一種熱電 偶的靈敏度較高？ 哪一種熱電 偶的靈敏度較低？ 為什么所有的曲線均過原點（零度點）？ 軌道交通學院 School of Railway Transportation 熱電偶的分度表 熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法 我國從 1991年開始采用國際計量委員會規(guī) 定的 “ 1990年國際溫標 ” （簡稱 ITS-90）的新 標準。按此標準，制定了相應的分度表，并且 有相應的線性化集成電路與之對應。 直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電 勢的關系時的約束條件是： 自由端（冷端） 溫度必須為 0C。 軌道交通學院 School of Ra
16、ilway Transportation K熱電偶的 分度表 比較 查出的 3個 熱電勢， 可以看出 熱電勢是 否 線性？ 軌道交通學院 School of Railway Transportation 第三節(jié) 熱電偶的冷端補償 一、 冷端恒溫法 標準熱電偶的熱電動勢表是以冷端溫度為 0度的情況 下給出的。只有在冷端溫度不變時，熱端溫度才能通過熱 電動勢檢測出來。如果冷端溫度因環(huán)境而變化，會嚴重影 響溫度測量數(shù)據(jù)的精度。因此冷端溫度變化必須進行修正 和補償。 1.采用 0度恒溫器，保持冷端溫度為 0 度。 用于精密溫度測量 2.采用其他恒溫器，保持冷端溫度一定 需進行修正 軌道交通學院 Sch
17、ool of Railway Transportation 冰浴法 在冰瓶中，冰水混合物的溫 度能較長時間地保持在 0C不變。 軌道交通學院 School of Railway Transportation 冰浴法接線圖 1 被測流體管道 2 熱電偶 3 接線盒 4 補償導線 5 銅質導線 6 毫伏表 7 冰瓶 8 冰水混合物 9 試管 10 新的 冷端 軌道交通學院 School of Railway Transportation 二、 補償導線法（冷端延長線） 利用與熱電偶熱電特性一致的補償導線，將熱電偶的冷 端延長，使之遠離高溫區(qū)，冷端恒溫，如儀表室?？晒?jié)約大 量貴金屬，易于彎曲，便于安
18、裝。 A B 屏蔽層 保護層 軌道交通學院 School of Railway Transportation 冷端溫度為 t1不為 t0(0度 )時，可以通過計算獲得 冷端為 t0(0度 )時的熱電動勢： 三、 計算修正法（中間溫度定律） ),(),(),( 0110 ttEttEttE AB 軌道交通學院 School of Railway Transportation 四、電橋補償法 （近似補償） XT-WBC熱電 偶 冷端補償器 電橋補償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓 來自動補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變 化值，可購買與被補償熱電偶對應型號的補償電橋。 軌道交通學院 Sch
19、ool of Railway Transportation 冷端 熱端 漆包銅電阻 當溫度升高 阻值增大 + - - - + + + - 5RR C M UUeU 恒定電阻 冷端升溫 不 變 變 大 變 小 taRIe CM 1補償條件： 軌道交通學院 School of Railway Transportation )(31 1 teIR CM 例如在冷端溫度變化范圍 0 50度情況下，鉑銠 10-鉑 熱電偶的 e=0.299,電流 I1=0.5mA,補償電阻的溫度系數(shù) a=0.00391/度 ,補償電阻大小可按補償條件選擇： 熱電偶的熱電動勢與溫度是非線性關系，每變 化一度所對應的熱電動勢
20、并非相同，但補償 熱電阻與溫度卻是線性關系，因此這種方法 是近似的。但由于熱電偶的冷端溫度變化范 圍不會很大，所以，常采用這種補償方法。 軌道交通學院 School of Railway Transportation 五、采用 PN結溫度傳感器作冷端補償 圖中，熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢經(jīng) A1放大后通過 R9加到 A3的反 相端，二極管 D作為 PN結溫度傳感器，與 R4、 R5、 W1構成直流電橋， 置于熱電偶的冷端處， 當冷端不為零時，橋路有一個不平衡電勢 輸出， 經(jīng) A2放大后通過 R10加到 A3的同相端， A3的增益為 1，其輸 出 VO為熱電偶的熱電勢與補償電勢之和，從而達到了冷端溫度
21、自 動補償?shù)哪康摹?冷端 軌道交通學院 School of Railway Transportation 六 、 采用集成溫度傳感器作冷端補償 圖中冷端補償采用 TMP35，這 是一種高精度的電壓型集成溫度 傳感器，其主要特點是：工作電 壓低，僅為 2.7 5.5V；靜態(tài)電流 小于 50mA；外圍元件少，使用相 當方便。 TMP35的測溫范圍為 +10 +125 C，正處于熱電偶的 冷端變化范圍內，它的靈敏度為 10mV/ C,在 0 C時輸出電壓為 0V， 當溫度為 25 C時，輸出電壓為 250mV。 TMP35的輸出經(jīng) R1與 R2的分壓， R2上得到的壓降 V2為冷端補 償電壓， V1
22、為熱電勢， Vo = V1 + V2為經(jīng)補償后的輸出。 冷端 補償電壓 補償后 的總電壓 軌道交通學院 School of Railway Transportation 這是采用該補償器的熱電偶測量電路，測溫范圍為 0 250 C，用運放 OP193作為放大器，相應的輸出電壓為 0 2.5V （靈敏度為 10mV/ C）。圖中，經(jīng) TMP35補償后的輸出加到 OP193的同相端， 調節(jié)電位器 RP1，改變放大器的增益，使溫度 在 250 C時，輸出 2.5V即可。 軌道交通學院 School of Railway Transportation 給出一個帶 冷端補償 及 非線性校正 的熱電偶測溫
23、基本電路。 軌道交通學院 School of Railway Transportation 冷端補償 : 采用 電流型 集成溫度傳感器 AD592,其輸出電流與絕對溫 度成正比。在 0 時， AD592輸出電流為 273.2A，靈敏度為 1A/ 。 對于 K型熱電偶，在 25 中心范圍，具有 40.44V/ 的 溫度系數(shù) .。 AD592輸出電流在電阻 Ra上轉換為補償電壓。當環(huán)境溫度 為 T時，適當調整 Rw2，使得 Ra上的壓降為（ 273.2+T） A40.44 ，其中 T A40.44 提供 40.44V/ 的冷端 補償。 另一項（ 273.2A40.44 ）使熱電偶正極對地存在 11
24、.05mV的誤差電壓即 ,解決的方法是在運算放大器 OP07的反 相輸入部 分加偏置電壓抵償。在電路中，通過 AD538的 4腳引 出 10V電壓，經(jīng) R1及 R2分壓，由于 R1=1.1 ， R2=10k，故 R1上 的壓降為 11mV,從而引入了抵償電壓。 軌道交通學院 School of Railway Transportation 非線性校正 : 測溫電路配用 K型熱電偶 ; 測溫范圍 :0 -600; 要求相應的輸出電壓為 0V 6V(6000mV) K型熱電偶 0 和 600 時的熱電勢分別為 0mV和 24.902mV , 測溫電路放大倍數(shù)應為 :6000mV/24.902mv2
25、40.94 若電路為線性 ,被測溫度為 300 時 ,測溫電路的輸出電壓為 : 12.207mV 240.94 2941.15mV3000mV, 儀表的指示并不是 300 . 這是由熱電偶本身的非線性造成的 . 利用高次多項式實現(xiàn)線性化。 熱電偶的溫差電勢可近似 表示為： )137(.)0,( 2210 NNAB TaTaTaaTE )137(.)0,( 2210 NNAB TaTaTaaTE 溫差電勢的近似表達式，可由切比雪夫 (Chebyshev)展開式 求得。 (取到 2次冪 ) )147()(0 3 4 7 3 3 4.09952.24776.0 2 mVUUU ininout 軌道交
26、通學院 School of Railway Transportation 將 600 時的溫差電勢 Uin=24.902mV代入上式，得到輸出 Uout=600mV，要得到滿量程時 6V的輸出，將上式擴大 10倍后得 到： )157()(3 4 7 3 3 4.09 5 2.2 4 976.7 2 mVUUU inino u t 由上式可驗證， 300 時， E=12.207mV， Uout=2991.6mV （相當于 299.2 ）； 600 時， E=24.902mV， Uout=6001.2mV（相當于 600.1 ）。從而完成了非線性校正。 式 7-15就相當于給出了具有 非線性校正的
27、熱電偶測溫電 路輸入、輸出表達式 . 電路中使用了非線性集成電路芯片 AD538實現(xiàn)乘法及指 數(shù)運算 .。 軌道交通學院 School of Railway Transportation 對式（ 7-15）進行系數(shù)轉換后得到： )167()()9 5 2.2 4 9(1056.5)9 5 2.2 4 9(76.7 26 mVUUU ininout 若適當調整 Rw1，使運放 A1的增益為 250倍，則輸出 Ua為 : ina UU 9 5 2.2 4 9 式（ 7-16）可寫成： )177()(1056.576.7 26 mVUUU aaout 根據(jù)圖中的連接方式， AD538的輸入 UY=U
28、Z=Ua ， UX=10V， m=1. Uout=-7.76+Ua-0.0556Uo(mV) 其輸出 Uo Ua2/10V Ua2/1000mv，將其代入上式得到： 軌道交通學院 School of Railway Transportation 分析輸出電壓表達式 : Uout=-7.76+Ua-0.0556Uo(mV) 常數(shù)項 7.76mV是電路圖中 AD538第 15腳輸出 10V電壓通過 R5及 R6的分壓后獲得的； 其它兩項是運放 A2的 輸出 , A2接成差動形式 ,兩個 輸入電壓 分別是 運放 A1的 輸出 Ua和非線性集成電路 AD538 的輸出 Uo.經(jīng) 推導 A2輸出應為 :
29、 Ua(1+R4/R7) R3/( R8+ R3) U0(R4/R7) 將圖中 各 電阻值代入 ,可得到 運放 A2的 輸出 : Ua- 0.0556Uo 由此可見電路可以達到予期的效果 . 軌道交通學院 School of Railway Transportation 第四節(jié) 熱電偶測溫線路 一、 測量某一點的溫度 熱端 熱端 冷端 冷端 補償導線 補 償 導 線 （在表內） （在表外） 軌道交通學院 School of Railway Transportation 二、測量兩點間溫度差 熱電動勢 1 熱電動勢 2 補償導線 兩熱電動 勢的差值 軌道交通學院 School of Railway Transportation 三、熱電偶并聯(lián) -測多點平均溫度 四、熱電偶串聯(lián) -增加測量靈敏度
《熱電偶傳感器》PPT課件
