第二章熱電偶傳感器

1.了解熱電偶傳感器的測量原理

2.掌握熱電偶傳感器的應用

目標要求第二章熱電偶傳感器及應用熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

第一節(jié)熱電偶的工作原理

左端稱為：測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢AB先看一個實驗——熱電偶工作原理演示結論：

當兩個結點溫度不相同時，回路中將產生電動勢。一、熱電效應

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?。ㄓ终f明什么？）

。顯然，指南針的偏轉說明回路中有電動勢產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。

從實驗到理論：熱電效應第一節(jié)熱電偶的工作原理

一、熱電效應

自由電子＋ABeAB（

T）T結點產生熱電勢的微觀解釋及圖形符號

兩種不同的金屬互相接觸時，由于不同金屬內自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸點處會發(fā)生自由電子的擴散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負電，從而產生熱電勢。

從實驗到理論：熱電效應第一節(jié)熱電偶的工作原理

一、熱電效應

熱電效應的定義：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(xiàn)象稱為熱電效應。第一節(jié)熱電偶的工作原理

一、熱電效應

ABTT0k——玻耳茲曼常數(shù)，e——電子電荷量，T——接觸處的溫度，NA，NB——分別為導體A和B的自由電子密度。

接觸電動勢不同材料之間:

節(jié)點處電子的擴散所致第一節(jié)熱電偶的工作原理

二、熱電勢（接觸電動勢和溫差電動勢）

溫差電動勢σA，σB——湯姆遜溫度系數(shù)。同種材料：兩端溫度不同電子運動速度不同回路中總電動勢：第一節(jié)熱電偶的工作原理

二、熱電勢（接觸電動勢和溫差電動勢）ABTT02)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。TT0V1)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。第一節(jié)熱電偶的工作原理

三、熱電偶測溫基本定律ABTT0=ACTT0—CBTT03)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：4)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(shù)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(jù)。第一節(jié)熱電偶的工作原理

三、熱電偶測溫基本定律一、熱電偶的材料1）熱電動勢及熱電動勢率要大，保證足夠的靈敏度。2）熱電特性最好是線性或近似線性的單值函數(shù)關系。3）能在較寬的溫度范圍內使用，物理、化學性質要穩(wěn)定。4）要有高的電導率、小的電阻溫度系數(shù)及小的導熱系數(shù)。5）復制性要好，即用同一種材料制成的熱電偶其熱電特性要一致，這樣便于制作統(tǒng)一的分度表。6）材料組織要均勻，具有良好的韌性，焊接性能好，以便熱電偶的制作。7）資源要豐富，價格低廉。第二節(jié)熱電偶的材料、結構及種類二、熱電偶的種類——標準化熱電偶1）鉑銠10—鉑熱電偶（S型）2）鉑銠13—鉑熱電偶（R型）3）鉑銠30—鉑銠6熱電偶（B型）4）鎳鉻—鎳硅熱電偶（K型）5）鎳鉻硅—鎳硅熱電偶（N型）6）鎳鉻—康銅（E型）7）鐵—康銅（J型）8）銅—康銅（T型）

見書23頁例5-2用鎳鉻—鎳硅（K型）熱電偶測量爐溫，熱電偶的冷端溫度為40℃，測得的熱電動勢為35.72mV，問被測爐溫為多少?解：查K型熱電偶分度表知E(40,0)=1.611mV測得：E(t,40)=35.72mV則：E(t,0)=E(t,40)+E(40,0)=(35.72+1.611)mV=37.331mV查分度表知t=900.1℃，則被測爐溫為900.1℃。三、熱電偶的結構形式（1）普通型熱電偶（2）鎧裝型熱電偶（3）薄膜型熱電偶鎧裝型熱電偶可長達上百米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

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）

BA絕緣材料鎧裝型熱電偶橫截面隔爆型熱電偶外形厚壁保護管壓鑄的接線盒電纜線

薄膜熱電偶四、熱電偶的冷端溫度補償1、補償導線法補償導線：在100℃以下的溫度范圍內，熱電特性與所配熱電偶相同且價格便宜的導線，稱為補償導線。補償導線的作用：就是延長熱電極，即將熱電偶的冷端延伸到溫度相對穩(wěn)定區(qū)。補償導線的型號：延伸型補償導線—用于廉金屬熱電偶；X補償型補償導線—用于貴金屬熱電偶和某些非標準熱電偶。C補償導線連接示意圖補償導線外形A’B’屏蔽層保護層補償導線型號4.2795.2646.3192.7440.647100C時的熱電勢/mVTXJXEXNCRC型號導線外皮顏色正-負配用熱電偶正-負型號紅-白T（銅—銅鎳）

TX紅-紫J（鐵—銅鎳）JX紅-棕E（鎳鉻—銅鎳）EX紅-黃N（鎳鉻硅—鎳硅）NC紅-綠R（鉑銠13—鉑）RC例5-3

用鎳鉻—鎳硅熱電偶(K)測量某一實際為1000℃的對象溫度。所配用儀表在溫度為20℃的控制室里，設熱電偶冷端溫度為50℃。當熱電偶與儀表之間用補償導線或普通銅導線連接時，測得溫度各為多少?又與實際溫度相差多少?解：查K型熱電偶分度表，得E(1000,0)=41.269mV，E(50,0)=2.022mV，E(20,0)=0.798mV。若用補償導線，儀表測得熱電動勢值為E(1000,20)=E(1000,0)–E(20,0)=40.471mV查分度表得對應的溫度為979.6℃若用銅導線，儀表測得熱電動勢值為E(1000,50)=E(1000,0)–E(50,0)=39.247mV查分度表得對應的溫度為948.4℃兩種方法測得的溫度相差31.2℃，測量誤差分別為–20.4℃和–51.6℃。2、冷端恒溫法1）冰浴法

2）恒溫箱法

3）恒溫室法3、計算校正法1）準確計算校正法根據(jù)中間溫度定律，對測得熱電動勢進行修正。適用于實驗室中用直流電位差計來測溫的情況。2）近似計算校正法K的取值：K型熱電偶，在0～1000℃范圍內，K≈1；S型熱電偶，在800～1300℃，K=0.6～0.5例5-4

用分度號為S的鉑銠10—鉑熱電偶測爐溫，其冷端溫度為30℃，而直流電位差計測得的熱電動勢為9.481mV，試求被測溫度。再查該分度表得被測溫度t=1006.5℃。若不進行校正，則所測9.481mV對應的溫度為991℃，誤差–15.5℃。解：查鉑銠10—鉑熱電偶分度表，得E(30,0)=0.173mV，根據(jù)中間溫度定律得例5-5解：在l000℃左右，鉑銠10—鉑熱電偶的校正系數(shù)可近似取0.55，因此按修正公式可得爐溫t

t=t′+Ktn=(991+0.55×30)℃=1007.5℃與例5-4相比可以看出，近似計算法僅比準確計算方法相差1℃。這說明此種方法在一些精度要求不高的現(xiàn)場是可以使用的。用S型熱電偶測爐溫，其冷端溫度為30℃，顯示儀表的指示值為991℃，試求爐溫。

右圖所示為鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶測溫電路，熱電極A、B直接焊接在鋼板上（V型焊接），A’、B’為補償導線，Cu為銅導線，已知接線盒1的溫度t1=40C，冰瓶中為冰水混合物，接線盒3的溫度t3=20.0C。求：1）將熱電極直接焊在鋼板上是應用了熱電偶的什么定律？2）冰瓶中為冰水混合物，測得Ux=29.9mV時，估算被測點溫度tx；3）如果冰瓶中的冰完全融化，溫度上升，與接線盒1的溫度相同，此時測得Ux=27.3mV，再求tx。見書23頁4、補償電橋法

補償電橋法是利用不平衡電橋產生的電動勢來補償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電動勢變化。

+-5、儀表機械零點調整法

用熱電偶測溫時，若t0=tn≠0℃，要使指示值不偏低，可先將顯示儀表指針調整到相當于熱電偶冷端溫度tn的位置上。應用于：一些精度要求不高、冷端溫度不經常變化的情況下。

用螺絲刀調節(jié)儀表面板上的“機械零點”，使指針指到氣溫t0（圖中為40C）的刻度上。機械零點指針被預調到室溫（40C

）可補償冷端損失應用實例(補充)

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(shù)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(xiàn)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(shù)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(xiàn)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(shù)據(jù)處理及線性化校正，以實現(xiàn)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(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)·(