第九章-热电偶传感器

第九章热电偶传感器本章介绍温度和温标的基本概念、温度测量的基本方法、热电偶的基本工作原理、热电偶的分类、特点及使用、冷端延长的方法、冷端温度补偿的方法和技术、控温仪表的使用等。热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。在各种热电式传感器中，以把温度变化转换为电阻值和电势变化的方法最为普遍。将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻。将温度转换为电势大小的热电式传感器叫做热电偶。此外，基于半导体PN结与温度的关系研制的PN结型温度传感器在窄温场中，也得到迅速发展和广泛应用。另外还有热释电型温度传感器、谐振型温度计、热噪声温度计、热辐射传感器、光纤温度传感器等。热电偶热电偶是将温度量转换为电势大小的热电式传感器。是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器之一，在工业用温度传感器中占有极其重要的地位。一、热电偶的工作原理二、热电偶的基本定律三、热电偶结构和种类四、热电偶的冷端处理和补偿测温范围宽，能测量较高的温度（－180~2800℃）；输出电压信号，测量方便，便于远距离传输、集中检测和控制；结构简单、性能稳定、维护方便、准确度高；热惯性和热容量小，便于快速测量；自身能产生电压，不需要外加驱动电源，是典型的有源传感器。优点：看一个实验——热电偶工作原理演示结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）左端称为：测量端（工作端、热端）热电极B热电势AB第一节热电偶的工作原理从实验到理论：热电效应1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说明什么？）。显然，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差有关。两种不同材料的导体A和B组成闭合回路，当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。这种物理现象称为热电效应。两种不同材料的导体所组成的回路称为热电偶。组成热电偶的导体称为热电极。热电偶所产生的电动势称为热电势。热电偶的两个结点中，置于温度为T的被测对象中的结点称为测量端，又称为工作端或热端；而置于参考温度为T0的另一个节点称为参考端，又称为自由端或冷端。热电效应产生的热电势用EAB（T，T0）表示。是由接触电势（珀尔帖Peltier效应）和温差电势（汤姆森Thomson效应）两部分组成。结点产生热电势的微观解释及图形符号两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势在这种动态平衡状态下，A和B两金属之间在接触处产生的电势称为接触电势（又称为珀尔帖电势）。eAB（T）自由电子＋ABT该电势为BABAABlnnnnnekTTETEnnekTTEABABBAlnk——波尔兹曼常数（k0＝1.38×10-23J/K）T——接触点的绝对温度；nA，nB——材料A，B的自由电子密度；e——电子电荷电量（e=1.6×10-19C）。接触电势的数值取决于两种金属的性质和接触点的温度，而与金属的形状及尺寸无关。如果A、B为同一种材料，接触电势为零。（nA=nB）2.汤姆森效应－温差电势对于任何一个金属，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓度也不同。温度高的一端浓度大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动TTTTTE0d,A0ATTTTTE0d,B0B能也小。因此，高温端的自由电子要向低温端扩散，高温端失去电子而带正电，而低温端得到电子而带负电，形成了电场，这个电场要阻碍电子的扩散，最后同样要达到动态平衡，从而在两端形成的电势称为温差电势，（又称为汤姆森电势）。设导体为均质导体，两端的温度为T、T0，A、B导体的温差电势σ——汤姆森系数（与材料和两端平均温度有关）。温差电势的数值取决于金属的性质和两端的温度，而与金属的形状、尺寸和温度分布无关。如果导体两端的温度相同，则温差电势为零。（T=T0）3.闭合回路中总热电势在由两种不同金属（nAnB）组成的闭合回路中，当两端点的温度不同（TT0）时，整个闭合回路内总的热电势EAB（T，T0）为0A0B0ABAB0AB,,,TTETTETETETTETnnTTekTTETETTETTTTd)(ln)(d)()()(),(00BABA0BA0ABAB0AB由上式可以得出下列结论：1）如果热电偶两结点温度相同，则回路总的热电势必然等于零。两结点温差越大，热电动势越大。2）如果热电偶两电极材料相同，即使两端温度不同（T≠T0），但总输出电动势仍为零。因此必需由两种不同材料才能构成热电偶。3）式中没有包含热与热电偶的尺寸形状有关的参数，所以热电动势的大小只与材料和结点温度有关，而热电偶的内阻与其长短、粗细、形状有关。热电偶越细，内阻越大。2、热电偶的基本定律1）中间导体定律：将由A、B两种导体组成的热电偶的冷端断开而接入第三种导体C后，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路的总热电势不变。tABt0t0CCBt1t1AACCtt0(a)(b)总的热电动势与C无关。热电偶回路中插入多种导体（D、E、F……)只要保证插入的每种导体的两端温度相同，则对热电偶的热电动势也无影响。利用热电偶实际测温时，连接导线、显示仪表和接插件等均可看成中间导体，只要保证这些中间导体两端的温度各自相同，则对热电偶的热电动势没有影响。热电偶回路总的热电势，绝不会因为在其电路中的任意部分接入第三种两端温度相同的材料而有所改变。热电偶的这一特性，不但可以允许在其回路中接入电气测量仪表，而且也允许采用任意的焊接方法来焊接热电偶。这就是中间导体定律的实际意义。2）参考电极定律（标准电极定律）已知热电极A、B分别与参考电极C所组成的热电偶在结点温度(T,T0）时，热电势分别为EAC(T,T0)，EBC(T,T0)，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)可以按下面公式计算：EAB（T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)BAABCC0TT由此可知，当任一电极B，C，D，…与一标准电极A组成热电偶产生热电势为已知时，就可以利用上式求出这些热电极彼此任意组成热电偶时的热电势。通常采用铂作为标准电极。3）连接导体定律与中间温度定律：若导体A、B分别与连线导线A、B相接，其结点温度分别为T、Tn、T0，回路的总电势为0nBAnAB0nABAB,,,,TTETTETTTE此式是连接导线（导体）定律的数学模型，即回路的总电势等于热电偶热电势EAB（T,Tn）与连接导线热电势EAB（Tn,T0）的代数和。此定律是工业运用补偿导线进行温度测量的理论基础。当导体A与A及B与B材料分别相同时，上式可写为0nABnAB0nAB,,,,TTETTETTTE此式是中间温度定律的数学模型，即回路的总电势等于EAB（T,Tn）,EAB（Tn,T0）的代数和。Tn称为中间温度。此定律为制定分度表奠定了理论基础，只要求得参考端温度为0℃时的“热电势－温度关系”，就可以根据此式求出参考温度不等于0℃时的电势。第二节热电偶的种类及结构八种国际通用热电偶：B:铂铑30—铂铑6R:铂铑13—铂、S:铂铑10—铂K:镍铬—镍硅、E:镍铬—铜镍N:镍铬硅—镍硅、J:铁—铜镍、T:铜—铜镍用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝几种常用热电偶的测温范围及热电势分度号名称测量温度范围1000C热电势/mVB铂铑30－铂铑650～1820C4.834R铂铑13—铂-50～1768C10.506S铂铑10—铂-50～1768C9.587K镍铬－镍硅(铝)-270～1370C41.276E镍铬－铜镍(康铜)－270～800C——?热电偶的分度表——热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0C。本教材p368的附录列出了工业中常用的镍铬-镍硅（K）热电偶的分度表。如何利用热电偶的分度表假设热电偶的冷端温度为0C，请根据本教材p345的附录——工业中常用的镍铬-镍硅（K）热电偶的分度表，查出－50C、0C、50C时的热电势。K热电偶的分度表比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？如何由热电偶的热电势查热端温度值设冷端为0℃，根据以下电路中的毫伏表的示值及K热电偶的分度表，查出热端的温度tx。普通装配型热电偶的外形安装螺纹铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）BA绝缘材料铠装型热电偶横截面隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒电缆线3.薄膜热电偶它是真空蒸镀的方法，把热电极材料蒸镀在绝缘基板上而制成。测量端既小又薄，厚度约为几个微米左右，热容量小，响应速度快，便于敷贴。适用于测量微小面积上的瞬变温度。其特点是：热容量小、动态响应快，适用于动态测量小面积时的瞬时变化的温度。4.表面热电偶分为永久性安装和非永久性安装两种，主要用来测量金属块、炉壁、橡胶筒，涡轮叶片、轧辊等固体的表面温度。5.浸入式热电偶浸入式热电偶主要用来测量钢水、铜水、铝水以及熔融合金的温度。其主要特点是：可以直接插入液态金属中进行温度测量。第四节热电偶冷端的延长在实际测温时，由于热电偶长度有限，自由端温度将直接受到被测物温度及周围环境温度的影响，造成误差。采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。补偿导线在0～100C范围内的热电势与配套的热电偶的热电势相等，所以不影响测量精度。•当补偿导线A’、B’与A、B连接后，测温回路的总的热电动势仅取决于A、B、T及T0（T0为新的自由端、它是稳定的）而与A、A’及B、B’连接处的温度Tn（中间温度，它是不稳定的）无关，在T0处测得的总的热电动势与直接将热电偶延伸到T0无异。•必须指出的是：使用补偿导线仅能延长热电偶的冷端，虽然总的热电势在多数情况下会比不用补偿导线时有所提高，但从本质上看，并不是因为温度补偿引起的而是因为使冷端远离高温区、两端温差较大的缘故。在使用补偿导线时，必须根据热电偶型号选配补偿导线，补偿导线与热电偶两接点处的温度必须相同，极性不能接反，不能超出规定使用的温度范围。常用热电偶补偿导线补偿导线外形A’B’屏蔽层保护层第五节热电偶的冷端温度补偿必要性：1、用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足t0=0C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C，而且也不恒定，因此将产生误差。2、一般情况下，冷端温度均高于0C，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失。冷端温度补偿的方法一、冷端恒温法：1）将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0C不变。此法也称冰浴法，它消除了t0不等于0C而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室中。冰浴法在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在0C不变。冰浴法接线图1—被测流体管道2—热电偶3—接线盒4—补偿导线5—铜质导线6—毫伏表7—冰瓶8—冰水混合物9—试管10—新的冷端2）将热电偶的冷端置于电热恒温器中，恒温器的温度略高于环境温度的上限（例如40℃）3）将热电偶的冷端置于恒温空调房间中，使冷端温度恒定。注意：除了冰浴法是使冷端温度保持在0℃外，后两种方法必须采用下述的方法予以修正。二、计算修正法当热电偶的冷端温度t00C时，测得的热电势EAB（t，t0）与冷端为0C时所测得