第6章 热电偶传感器.doc

第6章 热电偶传感器（2学时）本章主要内容：6.1热电偶传感器的工作原理一热电效应二. 热电偶测温原理三. 热电偶回路的基本定律和主要性质6.2 热电偶的种类及结构6.3 热电偶自由端温度的补偿6.4、热电偶的应用教学目标及重点、难点：一. 教学目标：1、了解热电势效应，了解热电偶的结构及种类。2、掌握热电偶回路的主要性质。3、掌握热电偶自由端温度补偿的常用方法。4、熟悉热电偶的应用。二. 重点、难点：重点：热电偶回路的主要性质，热电偶自由端温度补偿的常用方法，热电偶的应用；难点：热电偶自由端温度补偿的常用方法；6.1热电偶的工作原理热电偶传感器是将温度转换成电动势的一种测温传感器，它是工业中使用最为普遍的接触式测温装置。这是因为热电偶具有性能稳定、测温范围大、信号可以远距离传输等特点，并且结构简单、使用方便。热电偶能够将热能直接转换为电信号，并且输出直流电压信号，使得显示、记录和传输都很容易。一.热电效应1821年，德国物理学家塞贝克对两种不同金属组成闭合回路，如图4.87所示，并用酒精灯加热其中一个接触点，发现回路中指南针发生偏转。如果对两个节点同时加热，指南针的偏转角反而减少。指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温度有关，这种物理现象称为热电效应。-两种不同材料导体组成的回路称为热电偶。-组成热电偶的导体称为热电极。-置于温度T的结点为测量端（工作端或热端），置于参考温度T0的另一结点为自由端或冷端。二. 热电偶测温原理热电偶的测温原理是基于热电效应。将两种不同材料的导体组成一个闭合回路，如图4.87 所示。当两个接合点温度T和T0不同时、则在该回路中就会产生电动势、这种现象称为热电效应，相应的电动势称为热电势。这两种不同材料的导体的组合就称为热电偶。导体A、B 称为热电极。两个接点中，一个称为热端，也称为测量端或工作端，测温时它被置于被测介质(温度场)中；另一个接点称为冷端，又称参考端或自由端，它通过导线与显示仪表或测量电路相连，如图4.88所示。 1. 导体的接触电动势、温差电动势和热电动势上述回路中存在的热电动势EAB（T，T0）由接触电动势和温差电动势组成。(1) 接触电动势（珀尔帖电动势）接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。两种导体接触时，自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散，在接触处失去电子的一侧带正电，得到电子的一侧带负电，扩散达到动平衡时，在接触面的两侧就形成稳定的接触电势。接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。两接点的接触电势eAB(T)和eAB(T0)可表示为:, 大小与金属材料有关，而与热电极的几何尺寸无关。式中：k玻耳兹曼常数，k1.3810-23 J/K；e单位电荷电量，e=1.6010-19C；nA、nBA、B两种材料的电子浓度。T、T0接触处的绝对温度。(2) 温差电动势温差电势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。同一导体的两端温度不同时，高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，因而从高温端移动到低温端的电子数比从低温端移动到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电。因此，在导体两端便形成温差电势，其大小为，。大小与AB材料的性质有关，材料两端温差有关，与热电极的几何尺寸无关。式中，NAt和NBt 分别为A导体和B导体的自由电子密度，是温度t的函数。(3) 热电动势在图4.87 所示的热电偶回路中，设nAnB，TT0 ，产生的总热电势为： 在总热电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，则热电偶的热电势可表示为：对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB(T0)=C为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即这一关系式可通过实验方法获得，在实际测量中很有用，即只要测出eAB(T，T0)的大小，就能得到被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。2. 热电偶测温线路(1)单只热电偶的使用热电偶产生的热电势通常在毫伏级范围。测温时，它可以直接与显示仪表(如动圈式毫伏表、电子电位差计、数字表等)配套使用，也可与温度变送器配套，转换成标准电流信号，图4.96所示为热电偶典型测温线路。(2)多只热电偶连接使用在特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是同一分度号的热电偶，且冷端应在同一温度下。l 为了获得较大的热电势输出和提高灵敏度或测量多点温度之和，可以采用热电偶正向串联；l 采用热电偶反向串联可以测量两点间的温差；l 利用热电偶并联可以测量多点平均温度。图4.97 所示为热电偶串、并联测温的线路。三热电偶的基本定律和主要性质1. 两导体电极材料相同，其热电动势为零。无论两接点温度如何，其热电动势为零，因此必须两种不同材料才能构成热电偶。2. 热电偶两接点温度相同，其热电动势为零。尽管两导体材料不同。3. 均质导体定律由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的尺寸大小、形状及沿电极各处的温度分布无关。即如材料不均匀，当导体上存在温度梯度时，将会有附加电动势产生。这条定理说明，热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。4. 中间温度定律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在接点温度为t、tc和tc、t0时的热电势EAB(t，tC)和EAB(tc，t0)的代数和，如图4.90所示，即 （在热电偶回路中，两接点温度为T、T0时的热电动势，等于该热电偶在接点温度为T、Ta和Ta、T0时热电动势的代数和）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。另外根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体A和B，如图4.90 所示，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这也为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。5. 中间导体定律：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后是否会影响回路中的热电势？中间导体定律说明，在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要第三种导体的两端温度相同，则这一导体的引入将不会改变原来热电偶的热电动势大小。 即 EABC(T,T0)=EAB(T,T0)（C两端温度相同）。.图4.89 所示为接入第三种导体时热电偶回路的两种形式。在图4.89(a)所示的回路中，由于温差电势可忽略不计，则回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和，即：当T=T0 时，有 则 此式说明，在热电偶测温回路内接入第三种导体，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势不会产生影响。6. 标准电极定律如果已知热电极A、B分别与热电极C组成的热电偶在(T，T0)时的热电势分别为EAC(T，T0)和EBC(T，T0)，如图4.91所示。则在相同的温度下，由A、B两种热电极配对后的热电势EAB(T，T0)可按下式计算：EAB(T，T0)EAC(T，T0)EBC(T，T0) (4-135)这里热电极C称为标准电极。因为铂容易提纯，熔点高，性能稳定，所以标准电极通常采用纯铂丝制成。标准电极定律也称为参考电极定律或组成定律。标准电极定律使得热电偶选配电极的工作大为简化，只要已知有关热电极与标准电极相配对时的热电势，利用上述公式就可以求出任何两种热电极配成热电偶的热电势。6.2 热电偶的种类及结构1. 热电偶类型和热电偶材料理论上讲，任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶，但为了准确可靠地测量温度，对组成热电偶的材料必须经过严格的选择。工程上用于热电偶的材料应满足以下条件：热电势变化尽量大，热电势与温度关系尽量接近线性关系，物理、化学性能稳定，易加工，复现性好，便于成批生产，有良好的互换性。实际上并非所有材料都能满足上述要求。目前，在国际上被公认比较好的热电偶的材料只有几种。国际电工委员会(IEC)向世界各国推荐8种标准化热电偶。所谓标准化热电偶，就是它已列入工业标准化文件中，具有统一的分度表。现在工业上常用的4种标准化热电偶材料为：铂铑30-铂铑6(B型)、铂铑10-铂(S 型)、镍铬-镍硅(K型)和镍铬铜镍(我国通常称为镍铬-康铜)(E型)。我国已采用IEC标准生产热电偶，并按标准分度表生产与之相配的显示仪表。表5-1列出了我国采用的几种热电偶的主要性能和特点另外，还有一些特殊用途的热电偶，以满足特殊测温的需要。如用于测量3800超高温的钨镍系列热电偶，用于测量2K273K的超低温的镍铬-金铁热电偶等。2.热电偶的结构形式为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构形式有：普通型热电偶、铠装型热电偶、薄膜热电偶等。1) 普通型热电偶普通型结构热电偶工业上使用最多，它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成，其结构如图4.92 所示。普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。 2) 铠装型热电偶铠装型热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体，如图4.93 所示。它可以做得很细很长，使用中随需要能任意弯曲。铠装型热电偶的主要优点是测温端热容量小，动态响应快，机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上，因此被广泛用在许多工业部门中。3) 薄膜热电偶薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料用真空蒸镀、化学涂层等办法蒸镀到绝缘基板上而制成的一种特殊热电偶，如图4.94所示。薄膜热电偶的热接点可以做得很小(可薄到0.01m0.1m )，具有热容量小、反应速度快等特点，热响应时间达到微秒级，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。6.3 热电偶冷端温度的补偿当热电偶材料选定以后，热电动势只与热端和冷端温度有关。因此只有当冷端温度恒定时，热电偶的热电势和热端温度才有单值的函数关系。此外热电偶的分度表是以冷端温度为0作为基准进行分度的，而在实际使用过程中，冷端温度往往不为0，所以必须对冷端温度进行处理，以消除冷端温度的影响。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面的式子： eAB(t，0)= eAB(t，t0)+eAB(t0，0) (4-136)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。对热电偶冷端温度进行处理的方法主要有：冷端0恒温法、补偿导线法、补偿电桥法和冷端温度修正法。1. 冷端0恒温法（冰浴法）冷端恒温法就是将热电偶的冷端置于某一温度恒定不变的装置中。热电偶的分度表是以0为标准的。所以在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持0，这种方法又称为冰浴法。这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。2. 补偿导线法在实际测温时，需要把热电偶输出的热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。热电偶一般做得较短，通常为350mm2000mm，需要用导线将热电偶的冷端延伸出来。工程中采用一种补偿导线，它通常由两种不同性质的廉价金属导线制成，而且在0100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，两个连接点温度必须相等，正负极性不能接反。表4-2所列是常用的补偿导线。3. 补偿电桥法(冷端温度自动补偿法)补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压Uab作为补偿信号，来自动补偿热电偶测量过程中因冷端温度不为0或变化而引起热电势的变化值。补偿电桥的工作原理如图4.95所示，它由三个电阻温度系数较小的锰铜丝绕制的电阻R1、R2、R3及电阻温度系数较大的铜丝绕制的电阻RCu和稳压电源组成。补偿电桥与热电偶冷端处在同一环境温度，当冷端温度变化引起的热电势eAB(t，t0)变化时，由于RCu的阻值随冷端温度变化而变化，适当选择桥臂电阻和桥路电流，就可以使电桥产生的不平衡电压Uab补偿由于冷端温度t0变化引起的热电势变化量，从而达到自动补偿的目的。采用补偿电桥法对冷端温度进行补偿应该注意以下几点：不同型号的补偿器只能与相应的热电偶配用，只能补偿到固定温度；注意正负极性不能接反；仅能在规定的温度范围内使用，通常为040。4 .冷端温度修正法采用补偿导线可使热电偶的冷端延伸到温度比较稳定的地方，但只要冷端温度t0不等于0，需要对热电偶回路的测量电势值eAB(t，t0)加以修正。当工作端温度为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) (4-137)由此可见，测量电势值eAB(t，t0)的修正值为eAB(t0，0)。eAB(t0，0)是参考端温度t0的函数，经修正后的热电势为eAB(t，0)，可由分度表中查出被测实际温度值t。【当热电偶参考端为不等于0C时，需对仪表的示值加以修正，因为热电偶的温度热电动势关系以及分度表是在参考端为0 C得到的。修正公式：eAB(t，0)=eAB(t，t0)eAB(t0，0)】6.4、热电偶的应用1热电偶的测温线路（1）两点间温度之和的测量（2）两点间温度之差的测量必须注意两个同型号的热电偶其冷端温度必须相同，并且它们的热电动势都与温度呈线性关系，否则将产生测量误差。2热电偶热电动势的测量热电偶输出的热电动势与被测温度有对应关系，热电动势的测量可用动圈式仪表、电位差计、电子电位差计，或通过微机识别后输出显示温度值。用电位差计测量时，是采用标准电压来平衡热电动势的。标准电压与热电动势方向相反，回路中没有电流。因此，线路电阻对测量结果没有影响。【例1】如图为铂铑10铂（S）热电偶，A、B为补偿导线，温度t1=50，t2=0，t3=30，t00。（1）当U0=936V时，求被测点温度t。（2）如果A、B改为铜导线，此时U3=810V，再求温度t。【分析】（1）由于C、D均为导体，根据中间导体定律，t2处的电压就等于t0处的电压，即U2U0而A、B为补偿导线，视同热电偶A、B 所以EAB(t, t2)U2U0936V t2=0，直接查表可得温度t（2）根据中间导体定律，t1处的电压就等于t0处的电压，即U1U0，而t150，EAB(t, t1)U1U0，根据中间温度定律所以EAB(t, 0)EAB(t, t1)EAB(t1, 0)U0EAB(50, 0)1109V，直接查表可得温度t热电偶在测温过程中，为了保证输出热电动势是被测温度的单一函数，必须保持自由端(冷端)的温度恒定。为了消除或补偿由于自由端温度不恒定而引入的测量误差，常用以下几种方法。1仪表调零修正法在t0基本不变的情况下，仪表预先机械调零到t0处，即仪表预先输入E（t0，0）则指针指向t0 。2冷端温度自动补偿一般采用电桥补偿法：在热电偶回路中串入一个自动补偿的电位