热电偶_温度传感器的设计

基于热电偶的温度传感器 现代检测技术课程主要内容n 热电偶的基本原理；n 热电偶的种类；n 热电偶测温补偿方法；n 变送器的实现；1.热电偶的基本原理工作原理：u 热电势效应 (赛贝克效应 )两种不同材料的导体 A 与 B，按图所示的组合在一起，如果两结点的温度不同，则在回路中就会有电势产生，其电势（电流）的大小与两导体的性质和结点的温度有关。这种现象称为 热电势效应 。u 热电势n 接触电势n 温差电势接触电势接触电势 原理图式中 :nA、 nB 导体 A、 B的自由电子密度（ nA nB ）K 波尔兹曼常数； 1.3810-23J/Kq 电子电量A eA(T,To)ToTeA(T， T0) 导体 A两端温度 为 T、 T0时形成的温差电动势；T， T0 高低端的绝对温度； A 汤姆逊系数，表示导体 A两端的温度差为 1 时所产生的温差电动势，例如在 0 时，铜的 =2V/ 。温差电势温差电势原理图两种 导体的接触电势（珀尔贴电势）A,B两金属在温度 T 时的接触电势 eAB(T):eAB(T)=(KT/q)ln(nA/nB)式 中 : nA、 nB A、 B的自由电子 密度（ nA nB ）K波尔兹曼常数； 1.3810-23J/Kq 电子 电量总的接触电势为：eAB(T, T0） =K (T - T0) / qln( nA / nB)两种导体 的温差电势（汤姆逊效应 ）n 设导体 A 达到动态平衡时的温差电势为 eA(T， T0），导体 B 的温差电势为 eB(T， T0）。由 A， B两导体组成的闭合电路 总温差电势 ：式中： A、 B导体 A， B的汤姆逊系数热电偶 总热 电势1、 同种 导体构成的热电偶 ,即便 T T0。 闭合回路中也 不会产生 热 电势。因此，作为热电偶，必须采用 两种不同的导体 作热极。2. 热电偶 所产生的热电势大小，只决定于 热电极材料的 成分和 两 结点温度 ，与热电极的长度，直径和接触面的形状、大小无关。 当 T=T0 时，热电势为零。3. 热电偶 两电极材料成分确定后，热电势大小只由两结点温度决定，与电极中间温度无关。若自由端温度 T0 保持一定，热电偶的热电势仅是测量端温度 T的 单值函数 。即 ：EAB(T， T0） = （ T）结论 :n 热电偶 应用定律n 中间 导体 定律n 中间温度定律n 标准导体（电极）定律Ta bT0A BTc在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。中间导体定律应用 ：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。若三 个接点的温度均 为 T0，则回路的总热电势为EABC（ T0） = EAB(T0)+ EBC(T0)+ ECA(T0)=0若 A、 B接点温度 为 T， 其余接点温度 为 T0， 且 T T0，则回路的总热电势为EABC（ T， T0） = EAB(T)+ EBC(T0)+ ECA(T0)因为 EAB(T0)=-EBC(T0)+ ECA(T0)所以EABC（ T， T0） = EAB(T)- EAB(T0)中间导体定律测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路 中间温度定律eAB(T,T0)=eAB(T,Tc)+eAB(Tc,T0) 在热电偶测温回路中 ， Tc为热电极上某一点的温度，热电偶 AB在接点温度 为 T、 T0时的热电势 eAB(T, T0)等于热电偶 AB在接点 温度 T、 Tc和 Tc、 T0时的热电势 eAB(T, Tc)和 eAB(Tc, T0)的代数和，即 中间温度定律 中间温度定律的应用 根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体 A 和 B ， 将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。 该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中 , 利用热电偶这一性质 , 可对参考端温度不为 0 的热电势进行修正。标准导体（电极）定律标准导体定律的意义n 通常选用高纯铂丝作标准电极n 只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出来。 例子n 热端为 100 ，冷端为 0 时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为 2.95mV， 而康铜 与纯铂组成的热电偶的热电动势为 4.0mV，则镍铬 和康铜 组成的热电偶所产生的热电动势应为：n 2.95 ( 4.0)=6.95(mV)热电偶的分度表n 不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表。例子用 镍铬 -镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端 温度T0=30 ，测得热电势 eAB（ T， T0）为 33.29mV, 求加热炉温度。 查 镍铬 -镍硅热电偶分度表得 eAB（ 30， 0） 1.203 mV。可得 eAB（ T， 0） = eAB(T,T0)+eAB(T0,0)=33.29+1.203=34.493mV由镍铬 -镍硅热电偶分度表 得 T=829.8 。 2.热电偶 的种类 按材料：廉金属 贵金属 难熔金属 非金属 按用途和结构：1. 普通工业用： 直 形角形锥形2. 专用 ： 锴装（缆式）薄膜（ CPU 测温片 ）热电偶材料及标准热电偶n 所 谓 标 准 热电 偶 ，是指工 艺 比 较 成熟， 应 用广泛，性能 优 良，同一型号可以互 换 ， 统 一分度，并有配套 显 示 仪 表。n 标 准 热电 偶有： 铂铑 -铂 、 镍铬 -镍铝 、 镍铬 -康铜 （ Cu-56%, Ni-44%）、 镍铬 -康 铜 （ Cu-60%, Ni-40%）等。标准化热电偶的主要性能和特点 热电偶名称 正热电极 负热电极 分度号 测温范围 特 点铂铑 30铂铑 6 铂铑 30 铂铑 6 B 0 1700（超高温）适用于氧化性气氛中测温，测温上限高，稳定性好。在冶金、钢水等高温领域得到广泛应用。铂铑 10铂 铂铑 10 纯铂 S 0 1600（超高温）适用于氧化性、惰性气氛中测温，热电性能稳定，抗氧化性强，精度高，但价格贵、热电动势较小。常用作标准热电偶或用于高温测量。镍铬镍硅 镍铬合金 镍硅 K 2001200（高温）适用于氧化和中性气氛中测温，测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大、价格低。稳定性不如 B、 S型热电偶，但是非贵金属热电偶中性能最稳定的一种。镍铬康铜 镍铬合金 铜镍合金 E 200 900（中温）适用于还原性或惰性气氛中测温，热电动势较其他热电偶大，稳定性好，灵敏度高，价格低。铁康铜 铁 铜镍合金 J 200 750（中温）适用于还原性气氛中测温，价格低，热电动势较大，仅次于 E型热电偶。缺点是铁极易氧化。铜康铜 铜 铜镍合金 T 200 350（低温）适用于还原性气氛中测温，精度高，价格低。在 200 0 可制成标准热电偶。缺点是铜极易氧化。n 其中 铂铑 10-铂 热电 偶属于 贵 金属，它被 规 定 为6301064 的 测 温 标 准，但它的灵敏度 较 低（ 100 时为 0.643mv)；n 镍铬 -镍铝 （ 镍铬 -镍 硅） 是非 贵 重金属中性能最 稳 定的一种，因此 应 用最广。 电 极制作得 较 粗（ 约 3 mm），因而使用寿命 长 、 强 度高等。它的 热电势 也 较 高（ 100 时为 4.1mv)；n 镍铬 -康 铜 的 热电势 最大（ 100 时为 6.95mv),但它的 测 量温度上限不高（ 900 ）， 电 极材料的成分不容易保 证 。3. 热电偶的冷端温度补偿当 热端温度 为 T 时 ，分度表所对应的热电势 eAB(T, 0)与热电偶实际产生的热电势 eAB(T,T0)之间的关系可根据中间温度定律得到下式： eAB(T,0)= eAB(T,T0)+eAB(T0， 0) 由此可见， eAB(T0， 0)是冷端 温度 T0的函数，因此需要对热电偶冷端温度进行处理。 热电偶一般做得较短， 一般为 350 2000mm。在实际测温时，需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表，这样 , 冷端 温度 T0比较稳定。关于热电偶 补偿导线 解决办法：工程中采用一种补偿导线。在 0 100 温度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。 设 热电偶测量端温度 为 T， 自由端温度 为 T0 （ 0 ），根据 中间温度定律 ：E（ T， 0） =E（ T， T0） +E（ T0， 0）知道自由端的 温度 T0 ， 查 出 热电势值 E（ T0 ,0）