第7章__热电偶传感器

第七章热电偶传感器 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 管道中的气体或液体温度 也可以测量固体表面温度 结构简单 制造方便 测量范围广 精度高 惯性小 便于远距离传送 第一节热电偶的工作原理 1 两种不同导体2 接成闭合回路3 两个接点处温度不同 一 热电效应 回路中会产生热电动势 热电动势 电荷扩散 温差电动势 同一导体上因两端温度不同引起 接触电动势 两种不同导体的接触引起 热电偶回路总电动势 热电偶回路中的温差电动势很小 忽略之 可得 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 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 1 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 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 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 3 中间温度定律 如热电偶在两端接点温度t t0时的热电动势为在两端接点温度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 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 第二节热电偶材料 结构和种类 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 我国标准热电偶有六种 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 1 热电极 2 绝缘管 3 保护套管 4 接线盒 二 热电偶结构 2 铠装热电偶的结构 1 露端型 2 接壳型 3 绝缘型 4 圆变截面型 5 扁变截面型 二 热电偶种类 1 标准型热电偶 1 铂铑30 铂铑6分度号B0 1700度 2 铂铑10 铂分度号S0 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 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 标准化热电偶的特性 非标准化热电偶 第三节热电偶的冷端补偿 一 冷端恒温法 标准热电偶的热电动势表是以冷端温度为0度的情况下给出的 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 因此冷端温度变化必须进行修正和补偿 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 保持冷端温度一定 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 适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用 冷端温度为t1不为t0 0度 时 可以通过计算获得冷端为t0 0度 时的热电动势 三 计算修正法 四 电桥补偿法 冷端 热端 漆包铜电阻当温度升高阻值增大 恒定电阻 冷端升温 不变 变大 变小 补偿条件 例如在冷端温度变化范围0 50度情况下 铂铑10 铂热电偶的 e 0 299 电流I1 0 5mA 补偿电阻的温度系数a 0 00391 度 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 图中 热电偶产生的热电动势经A1放大后通过R9加到A3的反相端 二极管D作为PN结温度传感器 与R4 R5 W1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势输出 经A2放大后通过R10加到A3的同相端 A3的增益为1 其输出VO为热电偶的热电势与补偿电势之和 从而达到了冷端温度自动补偿的目的 六 采用集成温度传感器作冷端补偿 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 7 5 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 10 125 C 正处于热电偶的冷端变化范围内 它的灵敏度为10mV C 在0 C时输出电压为0V 当温度为25 C时 输出电压为250mV TMP35的输出经R1与R2的分压 R2上得到的压降V2为冷端补偿电压 V1为热电势 Vo V1 V2为经补偿后的输出 这是采用该补偿器的热电偶测量电路 测温范围为0 250 C 用运放OP193作为放大器 相应的输出电压为0 2 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 改变放大器的增益 使温度在250 C时 输出2 5V即可 给出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 2 A 灵敏度为1 A 对于K型热电偶 在25 中心范围 具有40 44 V 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 A 40 44 其中T A 40 44 提供40 44 V 的冷端补偿 另一项 273 2 A 40 44 使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 非线性校正 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 902mv 240 94若电路为线性 被测温度为300 时 测温电路的输出电压为 12 207mV 240 94 2941 15mV 3000mV 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 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 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 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 若适当调整Rw1 使运放A1的增益为250倍 则输出Ua为 式 7 16 可写成 根据图中的连接方式 AD538的输入UY UZ Ua UX 10V m 1 Uout 7 76 Ua 0 0556Uo mV 其输出Uo Ua2 10V Ua2 1000mv 将其代入上式得到 分析输出电压表达式 Uout 7 76 Ua 0 0556Uo mV 常数项7 76mV是电路图中AD538第15脚输出10V电压通过R5及R6的分压后获得的 其它两项是运放A2的输出 A2接成差动形式 两个输入电压