温度传感器的连接与信号获取

情景五温度传感器的连接与信号获取任务1：炉温检测5.1.1任务目标使学生了解炉温检测器件、测温范围和测温电路。5.1.2任务内容针对炉温检测要求，确定温度传感器。分析制定安装位置、实施效果检测方案，成本分析。学生现场安装、连接和调测传感器电路。5.1.3知识点热电偶传感器是一种自发电式传感器，测量时不需要外加电源，直接将被测量转换成电势输出。使用十分方便，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。它的测温范围很广，常用的热电偶测温范围为－50℃～＋1600℃，某些特殊热电偶最低可测－270℃，最高可达＋2800℃。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。一、热电偶的外形结构、种类和特性（一）常用热电偶的外形各种普通装配型热电偶的外形如下图所示。各种普通装配型热电偶接线盒引出线套管不锈钢保护套管热电偶工作端固定螺纹各种铠装型热电偶的外形如下图所示。各种防爆型热电偶的外形如图所示。（二）热电偶的结构接线盒固定装置B-B金属导管绝缘材料热电极A放大ABB各种防爆型热电偶（a）（b）热电偶的结构（a）普通热电偶；（b）铠装热电偶各种铠装型热电偶（三）热电偶的分类1．热电偶的结构分类：（1）普通热电偶：普通热电偶一般由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等几部分组成。常用于测量气体、蒸气和各种液体等介质的温度。（2）铠装热电偶：铠装热电偶又称缆式热电偶，此种热电偶是将热电极、绝缘材料连同保护管一起拉制成型，经焊接密封和装配等工艺制成的坚实的组合体。可做得很细、很长，可弯曲，外径小到1～3mm。主要特点是测量端热容量小、动态响应快、绕性好、强度高。2．热电偶的种类：（1）标准型热电偶：标准型热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶。标准热电偶有配套显示仪表可供选用。国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐了8种热电偶作为标准型热电偶。表2-1是它们的基本特性。热电偶名称的含义如下：标准型热电偶及基本特性热电偶名称分度号测温范围特点铂铑30-铂铑6B200~1700℃测温上限高，性能稳定，精度高，热电势小，价格贵。铂铑13-铂R0~1600℃性能稳定，精度高，复现性好；热电势较小，价格贵，不能在金属蒸气和还原性气体中使用。铂铑10-铂S0~1600℃同上。在所有热电偶中，准确度最高，用作标准标准温度计使用。镍铬-镍硅K-200~1200℃测温范围宽，热电势大且近似为线性，价格便宜，性能稳定，应用最广。镍铬-康铜E-200~800℃线性好，热电势最大，价格便宜。铁-康铜J-200~750℃价格便宜，热电势较大，极易氧化。铜-康铜T-200~400℃精度高，性能稳定，线性好，适用于低温测量。镍铬硅-镍硅N-200~1200℃新型热电偶，性能优于K型。①铂铑30－铂铑6：正负极均为铂铑合金，其中正极含铂70％、铑30％；负极含铂94％、铑30％②铂铑13－铂：正极为铂铑合金，含铂87％、铑13％；负极为纯铂。③铂铑10－铂：正极为铂铑合金，含铂90％、铑10％；负极为纯铂。④镍铬－镍硅：正极为镍铬合金，含镍90.5％、铬9.5％；负极为镍硅材料，含镍97.5％、硅2.5％⑤镍铬－康铜：正极为镍铬合金，含镍89％、铬10％，铁1％；负极为镍铜合金，含镍40％、铜60％。（2）非标准型热电偶：它的复现性差，没有统一的分度表，主要用于扩展高温和低温的测量以及特殊场合的测量。①铱铑系：热电动势与温度线性关系好，长期使用温度2000℃以下，适用于真空、还原性和惰性气体中。②钨铼系：可以使用到2800℃，适用于真空、还原性和惰性气体中。③镍铬－铁金：低温－270～0℃，低温下线性好，灵敏度高。④银金－金铁：测温范围为－270～－196℃。二、热电偶工作原理（一）热电效应由两种不同成分的导体组成一个闭合回路，当闭合回路的两个接点分别置于不同的温度场中，回路中产生一个方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关的电动势，这种效应称为“热电效应”，或称温差电效应。由于这种效应是1821年德国物理学家赛贝克首先发现的，故又称为赛贝克效应。热电偶回路如右图所示。热电偶回路（二）几个概念1．热电偶：导体A、B组成的回路。2．热电极：两种导体A、B。3．热电势：闭合回路中的电势。4．测量端（工作端、热端）：置于被测温度（T）中。5．参考端（自由端、冷端）：置于恒定温度（T0）中。（三）热电势的组成热电势由两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势两部分组成。1．接触电动势：是两种不同材料的导体A、B接触时，由于两导体的自由电子密度不同，假设A自由电子密度大于B的自由电子密度，则A的自由电子向B扩散，形成A到B的电场。在电场作用下，电子反方向运动，当达到动态平衡时，A与B之间的电位差就是接触电动势。接触电动势：)()(0TABTABABeee2．温差电动势：单一导体A、B，其两端分别置于不同的温度T、T0时，假设T大于T0，则热端T温度处的自由电子向冷端T0温度处移动，形成热端指向冷端的静电场。在电场作用下，电子反方向运动，当达到动态平衡时，热端与冷端之间的电位差为温差电动势。温差电动势：),(),(),(000TTTTATTeee3．总电动势：接触电动势与温差电动势之和为热电偶的总电势。),(),()()(),(0000TTBTTATABTABTTABeeeeE由于温差电动势较小，可忽略。若冷端T0温度保持不变，则总电动势：ceeeETABTABTABTTAB)()()(),(00从上式可看出，热电偶产生的热电动势只随热端（测量端）温度的变化而变化，即一定的热电动势对应一定的温度，测得热电动势就能测得温度了。不同材料组成的热电偶，热电动势EAB与T的函数关系是不同的，它由实验法求取，并用分度表列出。三、热电偶的基本定律（一）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，热电偶回路内的总热电动势均为零。应用：由于两相同的热电极材料间无自由电子的扩散运动，总电动势为零。因此，它可用于检查热电极成分是否相同。（二）中间导体定律在热电偶A、B回路中接入第三种导体C，如下图所示，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的电动势不变。因为回路总接触电势：)()()(),(000TeTeTeTTECABCABABC若T=T0，则回路总电势为零，即：0)()()(),(00000TeTeTeTTECABCABABC)()()(000TeTeTeCABCAB所以：),()()(),(000TTETeTeTTEABABABABC应用：在回路中接入各种仪表，不影响回路的电动势。（三）标准电极定律如果两种导体A、B分别与第三种导体C组成的热电偶的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶的热电动势也就已知。如右图所示。),(),(),(000TTETTETTEBCACAB应用：测得各种金属与纯铂组成的热电动势，则各种金属相互组成的热电偶的热电动势也可知了。（四）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。如下图所示。接入导体C的热电偶回路三种导体分别组成的热电偶),(),(),(00TTETTETTEnABnABAB该定律表明，热电偶的两电极A、B被两根热电特性相同的材料B、A延长，且它们之间连接的两结点温度相同，则总电动势与连接点温度无关，只与延长后的热电偶两端的温度有关。应用：为补偿导线的使用提供了理论依据。四、正确使用热电偶传感器（一）热电偶要求冷端补偿热电偶测温是将温度的变化转换为电势的变化，它们的对应关系是用分度表列出，而分度表上的值是在T0=0℃时测得的。因此，用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足T0=0℃的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样T0不但不是0℃，而且也不恒定，因此将产生误差。为此要采用一些措施进行补偿或者修正。（二）热电偶冷端补偿方法1．0℃恒温法：将热电偶冷端置于0℃恒温容器中，从而保证冷端温度恒为0℃，此时热电偶的热电势与分度表一致。这种方法精度较高，适用于实验室或精密测量中。2．补偿导线法：热电偶一般做得较短，约为350～2000mm。当测温仪表与测量点距离较远时，冷端温度会受到周围环境影响而波动，为节省热电偶的材料，通常使用补偿导线法，即冷端温度延长法，如右图所示。所谓补偿导线：它是由两种不同性质的廉价金属材料制成，在0~150℃范围内与配接的热电偶具有一致的热电特性，起着延长热电偶冷端的作用。应当注意：补偿导线将热电偶的冷端延伸至具有延长导线的热电偶补偿导线法原理图远离热源、温度稳定的地方，若延伸端的温度不为零，则必须进行计算修正。3．计算修正法：当冷端温度T0保持恒定，但不等于0℃时，可采用计算修正法，对热电偶回路的测量电势值EAB(T，T0)加以修正。根据中间温度定律：EAB(T，0)=EAB(T，T0)+EAB(T0，0)。若测得热电偶输出热电势E(T，T0)的数值，再由冷端温度T0查分度表得到冷端温度对应的热电势E(T0，0)，即可求得EAB(T，0)，再查分度表就能得到被测温度T了。例题：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，求加热炉的温度？解：先由镍铬-镍硅热电偶分度表查得EAB（30，0）＝1.203mV。根据中间温度定律可得：EAB（T，0）=EAB(T，T0)+EAB(T0，0)=33.29+1.203=34.493mV再查镍铬-镍硅热电偶分度表得T=829.8℃。4．电桥补偿法：电桥补偿法可以在冷端温度无法恒定时对热电偶进行冷端补偿。补偿电桥（冷端补偿器）的作用：在冷端温度变化时，提供一个与热电偶冷端变化引起的热电势变化大小相等，但极性相反的补偿电势，使得测量电路输出热电势不随冷端温度变化的影响。如下图所示，热电偶回路中串接了电桥，桥臂电阻R1、R2、R3和限流电阻Rd由温度系数很小的锰铜丝绕制的，阻值几乎不随温度变化，电阻Rc由温度系数较大的铜丝绕制，随温度升高而增大。Rc与冷端温度相同，当冷端温度T0＝0℃时，电桥平衡，Uab＝0，补偿电桥不起作用；当T0＞0时，EAB（T，T0）将减小，而同时Rc增大，电桥失去平衡，Uab＞0，若把Uab的增加与EAB（T，T0）的减小设计得相同，则总输出保持不变，实现了补偿。5．仪表机械零点调整法：电桥补偿法原理图当热电偶的冷端温度比较稳定，而测量精度要求不太高时，可将显示仪表的机械零位预先调整到已知的冷端温度值上，相当于在输入热电偶的热电势前先给仪表输入一个热电势E（T0，0），这样，仪表使用时的指示值为),()0,(00TTETE，消除了误差。使用时要注意：当气温变化时，由于T0变化了，应及时调整指针的位置。（三）测量炉温电路如下图所示，将热电偶的热端插入炉内检测炉温T，冷端通过补偿导线与测量仪表的输入铜导线相连，并插入冰瓶，保证T0＝0℃，此时通过测量仪表测得的热电势即可确定炉内的实际温度。假如冷端温度T0不能保证为0℃，则须进行计算修正。（四）热电偶的选择、安装使用和校验热电偶的选用应该根据被测介质的温度、压力、介质性质、测温时间长短来选择热电偶和保护套管。安装点要代表性，安装方法要正确。一般将热电偶安装在管道的中心线位置上，并使热电偶测量端面向流体，使测量端充分与被测介质接触，提高测量准确性，尽可能测得介质的真实温度。为保证测温精度，热电偶要定期校验。校验的方法是用标准热电偶与被校验热电偶在同一校验炉或恒温水槽中进行比对。（五）热电偶测温误差原因1．热电偶的非均匀性分度误差：由于热电偶材料粗细不均匀或不纯等原因，使热电偶温差电特性与统一的分度表有一定的误差。测量炉温2．冷端不为零。3．热电偶长期处于高温环境下已氧化变质。4．各连接点接触不良。5．测量仪表精度不高。5.1.4任务材料各种类型热电偶产品说明书，热电偶，电气元器件