93热电偶传感器

第5章热电偶传感器在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。5.1热电偶的工作原理与基本结构5.1.1热电偶的工作原理5.1.1.1工作原理当有两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时（如图5.1.1），只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为T0，称为自由端（也称参考端）或冷端，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为“热电效应”，两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热电动势”。热电动势由两部分电动势组成，一部分是两种导体的接触电动势，另一部分是单一导体的温差电动势。AeAB(t)BeA(t,t0)eB(t,t0)图5.1.1热电偶回路当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同(即电子密度不同)，因此，电子在两个方向上扩散的速率就不一样。现假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度，则导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数大。所以导体A失去电子带正电荷，导体B得到电子带负电荷，于是，在A、B两导体的接触界面上便形成一个由A到B的电场。该电场的方向与扩散进行的方向相反，它将引起反方向的电子转移，阻碍扩散作用的继续进行。当扩散作用与阻碍扩散作用相等时，即自导体A扩散到导体B的自由电子数与在电场作用下自导体B到导体A的自由电子数相等时，便处于一种动态平衡状态。在这种状态下，A与B两导体的接触处就产生了电位差，称为接触电动势。接触电动势的大小与导体的材料、接点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。对于温度分别为t和t0的两接点，可得下列接触电动势公式BtAtABU-U(t)eBt0At00ABU-U)(te(5-1-1)式中eAB(t,)、eAB(t0)为导体A、B在接点温度t和t0时形成的电动势；UAt、UAt0分别为导体A在接点温度为t和t0时的电压；UBt、UBt0分别为导体B在接点温度为t和t0时的电压。对于导体A或B，将其两端分别置于不同的温度场t、t0中(tt0)。在导体内部，热端的自由电子具有较大的动能，向冷端移动，从而使热端失去电子带正电荷，冷端得到电子带负电荷。这样，导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场。该电场阻止电子从热端继续跑到冷端并使电子反方向移动，最后也达到了动态平衡状态。这样，导体两端便产生了电位差，我们将该电位差称为温差电动势。温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度，如下式所示0BtBt0B0AtAt0AU-U)t(t,eU-U)t(t,e(5-1-2)式中，eA(t,t0)、eB(t,t0)为导体A和B在两端温度分别为t和t0时形成的电动势。导体A和B头尾相接组成回路，如果导体A的电子密度大于导体B的电子密度，且两接点的温度不相等，则在热电偶回路中存在着四个电势，即两个接触电动势和两个温差电动势。热电偶回路的总电动势为)t(t,e-)t(t,e)(te-(t)e)t(t,E0B0A0ABAB0AB(5-1-3)实践证明，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势，温差电动势只占极小部分，可以忽略不计，故式(5-3)可以写成)(te-(t)e)t(t,E0ABAB0AB(5-1-4)上式中，由于导体A的电子密度大于导体B的电子密度，所以A为正极，B为负极。脚注AB的顺序表示电动势的方向。不难理解：当改变脚注的顺序时，电动势前面的符号(指正、负号)也应随之改变。因此，式(5-4)也可以写成)(te(t)e)t(t,E0ABAB0AB综上所述，我们可以得出如下结论：热电偶回路中热电动势的大小，只与组成热电偶的导体材料和两接点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关。当热电偶两电极材料固定后，热电动势便是两接点温度t和t0。的函数差。即如果使冷端温度t0保持不变，则热电动势便成为热端温度t的单一函数。即，(5-1-5))f(t-f(t))t(t,E00AB(t)C-f(t))t(t,E0AB5.1.1.2热电偶的特性热电偶的主要特性如下：①稳定性指热电偶的热电特性随使用时间变化小。②不均匀性指热电极的不均匀程度，所引起的附加热电势的大小，取决于沿热电极长度的温度梯度分布状态、材料的不均匀形式和不均匀程度以及热电偶在温度场中所处的位置。不均匀性降低测温的准确度，影响热电偶的稳定性和互换性。造成不均匀性的原因有杂质分布不均，成份偏析，局部表面金属的挥发和氧化，局部的腐蚀和沾污，应力分布不均匀和晶体结构不均匀等。③热惰性指被测介质从某一温度跃迁到另一温度时，热电偶测量端的温度上升到整个跃迁的63.2%所需的时间。5.1.2热电偶的基本定律5.1.2.1均质导体定律如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势为零。根据这个定律，可以检验两个热电极材料成分是否相同(称为同名极检验法)，也可以检查热电极材料的均匀性。5.1.2.2中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。如图5.1.2，在热电偶回路中接人第三种导体C。设导体A与B接点处的温度为t，A与C、B与C两接点处的温度为t0，则回路中的总电动势为(5-1-6))(te)(te(t)e)t(t,E0CA0BCAB0ABC+ABCtt0t0图5.1.2热电偶中接入第三种导体如果回路中三接点的温度相同，即t＝t0，则回路总电动势必为零，即或者(5-1-7)将式(5-7)代人式(5-6)，可得(5-1-8)0)(te)(te)(te0CA0BC0AB)(t-e)(te)(te0CA0BC0AB)(te-(t)e)t(t,E0ABAB0ABC可以用同样的方法证明，断开热电偶的任何一个极，用第三种导体引入测量仪表，其总电动势也是不变的。热电偶的这种性质在实用上有着重要的意义，它使我们可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器，也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。5.1.2.3标准电极定律如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知。如图5-3，导体A、B分别与标准电极C组成热电偶，若它们所产生的热电动势为已知，即那么，导体A与B组成的热电偶，其热电动势可由下式求得(5-1-9))(te-(t)e)t(t,E0ACAC0AC)(te-(t)e)t(t,E0BCBC0BC)t(t,E-)t(t,E)t(t,E0BC0AC0AB+Att0+tt0+tt0CCBBA图5.1.3三种导体组成的热电偶标准电极定律是一个极为实用的定律。可以想象，纯金属的种类很多，而合金类型更多。因此，要得出这些金属之间组合而成热电偶的热电动势，其工作量是极大的。由于铂的物理、化学性质稳定，熔点高，易提纯，所以，我们通常选用高纯铂丝作为标准电极，只要测得各种金属与纯铂组成的热电偶的热电动势，则各种金属之间相互组合而成的热电偶的热电动势可根据式(5-9)直接计算出来。例如：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，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV，则镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生的热电动势应为2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV5.1.2.4中间温度定律热电偶在两接点温度t、t0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为t、tn和tn、t0时的相应热电动势的代数和。中间温度定律可以用下式表示(5-1-10)中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。它表明：若热电偶的热电极被导体延长，只要接入的导体组成热电偶的热电特性与被延长的热电偶的热电特性相同，且它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与连接点温度无关，只与延长以后的热电偶两端的温度有关。)t,(tE)t(t,E)t(t,E0nABnAB0AB5.1.3热电偶结构5.1.3.1普通工业装配式热电偶的结构普通工业装配式热电偶作为测量温度的变送器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用。它可以直接测量各种生产过程中从0℃到1800℃范围的液体、蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等几个主要部分组成，其常见外形结构如图5.1.4所示。图5.1.4常见普通工业装配式热电偶的外形结构(1)热电极又称偶丝，它是热电偶的基本组成部分。普通金属做成的偶丝，其直径一般为0.5~3.2mm，贵重金属做成的偶丝，直径一般为0.3--0.6mm。偶丝的长度则由使用情况、安装条件，特别是工作端在被测介质中插入的深度来决定，通常为300—2000mm，常用的长度为350mm。(2)绝缘管又称绝缘子，是用于热电极之间及热电极与保护套管之间进行绝缘保护的零件。形状一般为圆形或椭圆形，中间开有二个、四个或六个孔。偶丝穿孔而过。材料为粘土质、高铝质、刚玉质等，材料选用视使用的热电偶而定。在室温下，绝缘管的绝缘电阻应在5MΩ以上。(3)保护套管是用来保护热电偶感温元件免受被测介质化学腐蚀和机械损伤的装置。保护套管应具有耐高温、耐腐蚀的性能，要求导热性能好，气密性好。其材料有金属、非金属以及金属陶瓷三大类。金属材料有铝、黄铜、碳钢、不锈钢等，其中lCrl8Ni9Ti不锈钢是目前热电偶保护套管使用的典型材料。非金属材料有高铝质(85%--90%A1203)、刚玉质(99％Al2O3)，使用温度都在1300℃以上。金属陶瓷材料如氧化镁加金属钼，这种材料使用温度在1700℃，且在高温下有很好的抗氧化能力，适用于钢水温度的连续测量。形状一般为圆柱形。(4)接线盒是用来固定接线座和作为连接补偿导线的装置。根据被测量温度的对象及现场环境条件，设计有普通式、防溅式、防水式和接插座式等四种结构形式。普通式接线盒无盖，仅由盒体构成，其接线座用螺钉固定在盒体上，适用于环境条件良好、无腐蚀性气体的现场。防溅式、防水式接线盒有盖，且盖与盒体是由密封圈压紧密封，适用于雨水能溅到的现场或露天设备现场。插座式接线盒结构简单、安装所占空间小，接线方便，适用于需要快速拆卸的环境。5.1.3.2铠装热电偶的结构铠装热电偶具有能弯曲、耐高压、热响应时间快和坚固耐用等许多优点，它和工业用装配式热电偶一样，作为测量温度的变送器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用，同时亦可作为装配式热电偶的感温元件。它可以直接测量名种生产过程中从0~800℃范围内的液体、蒸汽和气体介质以及固体表面的温度。铠装热电偶的结构原理是由导体、高绝缘氧化镁、外套1Cr18Ni9Ti不锈钢保护管，经多次一体拉制而成。铠装热电偶产品主要由接线盒、接线端子和铠装热电偶组成基本结构，并配以各种安装固定装置组成。铠装热电偶分绝缘式和接壳式两种。(1)接壳式热电偶的测量端与金属套管接触并焊接在一起。适用于测量温度高、压力高、腐蚀性较强的介质。(2)绝缘式热电偶的测量端焊接后填以绝缘材料再与金属套管焊接。适用范围同接壳式，特点是偶丝与保护金属套管不接触，具有电气绝缘性能。(3)圆接插式金属套管端头部分的直径为原直径的一半，故时间常数更小。(4)扁接插式分为接壳型和绝缘型两种，其时间常数最小，反应速度更快。图5.1.5常见铠装热电偶的外形结构铠装热电偶冷端连接补偿导线的接线盒的结构，根据不同的使用条件，有不同的式。如简易式、带补偿导线式、插座式等，这里不作详细介绍了，选用时可参考有关资料。由于铠装热电偶具有寿命长、机械性能好、耐高压、可挠性等许多优点，因而深受欢迎。5.2常用热电偶及测温线路5.2.1热电偶材料根据金属的热电效应