热电偶温度传感器(1)

成绩：天津工业大学理学院传感器课程设计设计题目：热电偶温度传感器的设计设计者(学号)：阙云（0810840112）丁金良（0810840101）李静（0810840121）联系方式：E-MAIL:TEL:年月日目录一、序言二、方案设计及论证三、设计图纸四、总结心得或体会五、主要参考文献一、序言1.热电偶传感器简介热电偶是一种热电型的温度传感器，它将温度信号转换成电势(mV)信号，配以测量信号的仪表或变换器，便可以实现温度的测量和温度信号的转换热。电偶是接触法测温常用的传感器之一。自1821年塞贝克发现热电效应起，热电偶的发展已经历了一个多世纪，据统计，在此期间曾有300余种热电偶问世，但应用较广的热电偶仅有四、五十种，国际电工委员会(IEC)对其中被国际公认、性能优良和产量最大的七种制定标准，即IEC584--1和684—2中所规定的。S分度号(铂铑10一铂)；B分度号（铂铑30一铂铑6)；K分度号(镍铬一镍硅)；T分度号（铜一康铜)；E分度号(镍铬一康铜);J分度号(铁一康铜);R分度号(铂铑13一铂)等热电偶。热电偶大多具有以下优点：(1)热电偶通常是由2种不同的金属丝组成。而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，结构简单，制造方便，使用起来非常方便。(2)测温精确度较高，反应速度快，直接与被测对象接触，不受中间介质的影响，高温区的复现性和稳定性很好。(3)由于测温显示电信号，便于信号的远传和记录，也有利于集中检测和控制。(4)热电偶体积小，热容量及热惯性均小。能用来测量点的温度和壁面温度，也能用来进行动态温度测量。（5）品种规格多，测温范围广，在-27O℃到2800℃范围内有相应产品可供选用。因此，热电偶得到了广泛的应用。2热电偶的发展状态温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段;(1)传统的分立式温度传感器(含敏感元件);主要是能够进行非电量和电量之间转换。(2)模拟集成温度传感器/控制器;(3)智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。现场使用中根据环境，被测介质等多种因素研制成适合各种环境的热电偶。热电偶简单分为装配式热电偶，铠装式热电偶和特殊形式热电偶；按使用环境细分有耐高温热电偶，耐磨热电偶，耐腐热电偶，耐高压热电偶，隔爆热电偶，铝液测温用热电偶，循环硫化床用热电偶，水泥回转窑炉用热电偶，阳极焙烧炉用热电偶，高温热风炉用热电偶，汽化炉用热电偶，渗碳炉用热电偶，高温盐浴炉用热电偶，铜、铁及钢水用热电偶，抗氧化钨铼热电偶，真空炉用热电偶，铂铑热电偶等，二、方案设计及论证1.热电偶的工作原理两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。当工作端的被测介质温度发生变化时，热电势随之发生变化，将热电势送入计算机进行处理，即可得到温度值。热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合由理论分析知道，热电效应产生的热电势EAB（T,T0）是由接触电势和温差电势两部分组成的。（1）接触电势产生的原因我们知道，所有金属导体都具有自由电子，而不同的金属材料中自由电子的浓度不同。当两种不同性质的导体接触时，在接触面上因自由电子的浓度不同而发生电子扩散。如果导体A的自由电子的浓度大于导体B的自由电子浓度，那么在单位时间内，由导体A扩散到导体B中去的电子数要比导体B扩散到导体A去的电子数多，因而导体A失去电子而带正电，导体B因获得电子而带负电。于是，在接触表面上便形成了电场，如图2（a）所示。图2(a)该电场将阻碍扩散作用的进一步进行，当扩散作用和阻碍作用相等时，接触面上的自由电子的扩散便达到动态平衡。在这种平衡状态下，A和B两导体之间便产生一定的接触电势。它的数值取决于两种导体的性质和接触处的温度而与导体的形状及尺寸无关。根据物理学可知，两个接点的接触电势分别为eAB(T)=UAT-UBT=ekTlnBTATNN(1)eAB(T0)=U0AT-U0BT=ekT0ln00BTATNN(2)式中：k为波尔兹曼常数；T、T0为接触处的绝对温度（K）;NA、NB为导体A、B的自由电子浓度；e为电子的电荷量。（2）温差电势产生的原因对于任何金属导体，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓度不同，温度高的一端的自由电子浓度大，具有的动能较大；温度低的一端的自由电子浓度小，动能也小。因此，高温端的自由电子要向低温端扩散，最后达到动态平衡时，高温端失去电子而带正电，低温端获得电子而带负电，从而在两端形成温差电势。如图2（b）所示。温差电势的大小可表示为eA(T,T0)=dTTTA0（3）eB(T,T0)=TTTBd0(4)AB+++A式中：eA(T,T0)、eB(T,T0)分别为导体A、B两端温度为T、T0时形成的温差电势；BA、为汤姆逊系数。图2（b）对于由导体A与B组成的热电偶，如图3所示。当温度TT0时，回路总的热电势为E),(),()()(),(0000TTeTTeTeTeTTBAABABAB=dTNNTTekATTBBA)(ln)(00(5)综上所述，可得出有关热电偶的几点结论：（1）如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体，即BABANN,,则无论两结点的温度如何，热电偶回路内的总热电势为零。（2）如果热电偶两结点温度相同，即0TT,则尽管导体A、B的材料不同，热电偶回路内的总热电势也为零。因此，热电偶两结点必须存在温差。（3）热电偶A、B的热电势的大小与导体A、B材料的中间温度无关，只与结点温度有关。在金属导体中的自由电子数目很多，以致温度不能显著地改变它的自由电子浓度，所以在同一种导体内的温差电势极小，可以忽略。因此，在一个热电偶回路中起决定作用的是两个结点处产生的与材料性质和该点温度有关的接触电势。所以（5）式可以改写成)()(ln)(),(000TETENNTTekTTEABABBAAB(6)由（6）式可以看出，回路的总热电势是随温度T和0T变化的。在实际使用中很不方便，为此，在标定热电偶时，使0T为常数（通常是0T=0C0），即常数）（0TEAB则（6）式可以改写为CTETTEABAB)(),(0(T)（7）式（7）表明，当热电偶回路的自由端保持温度不变时，热电偶回路的总热电势只随工作端的温度变化而变化。两个端点的温差越大，回路中的总热电势也就越大。2.热电偶温度传感器的结构各种热电偶尽管外形各有不同，但其基本结构式一样的。普通热电偶由热电极、绝缘套管、保护管、接线盒等四部分组成。如CAD图所示。（1）热电极组成热电偶的两根细丝成为热电极。热电偶通常以热电极材料种类来命名。从理论上讲，凡是两种不同性质的导体或半导体材料都可以组成热电偶，用来测量温度。但实际上并不是所有的材料都可以组成热电偶。一般来说，热电极材料应满足一下要求：a．在测量范围内，热电性能稳定，不随时间变化而变化；b．在测量范围内，有足够的物理、化学性质稳定性，不易氧化或腐蚀；c．电阻温度系数小，电导率高；d．组成热电偶测温时，产生热电势大，且希望热电势与被测温度变化成单值线性或接近线性关系；e．由足够的机械强度及较好的耐振动、耐、冲击性；f．材料复制性好、工艺性好，可制成标准分度，制作工艺简单，价格便宜。但是，实际上没有一种材料能满足上述全部要求。因此，在设计选用热电偶的电极材料时，要根据测温的具体条件来加以选择。（2）绝缘材料套管绝缘材料套管又称为绝缘子，用来防止两根热电极短路。绝缘子一般呈椭圆形或圆形，中间有一个、两个或四个小孔，孔德大小由热电极的直径决定。（3）保护管保护管的作用是使电极和待测温度介质隔离，使之免受化学的侵蚀和机械损伤。对保护管的要求是必须具有优良的传热性能，能经久耐用。前者指的是具有良好的导热性，以改善热电极对被测温度变化的响应速度，减少滞后；后者指的是耐高温、耐急冷急热、耐腐蚀，不分解出对电极有害的气体，有足够的机械强度。具体使用时应根据热电偶的类型、测温范围和使用条件来选择保护管材料。（4）接线盒接线盒供热电偶和补偿导线连接之用。接线盒固定在热电偶保护管上，一般用铝合金制成，分为普通式和密封式两种。3铁-康铜热电偶传感器(J型)（1）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。这里我们要求选择测量温度范围为-100~500℃的热电偶传感，J型热电偶温度范围为-200~800摄氏度,所以我们选择（J型热电偶）铁-康铜热电偶。铁-康铜热电偶（J型热电偶）是一种廉金属的热电偶。它的正极（JP）的名义化学成分为纯铁，负极（JN）为铜镍合金，常被含糊地称之为康铜，其名义化学成分为：55%的铜和45%的镍以及少量却十分重要的锰，钴，铁等元素，尽管它叫康铜，但不同于镍铬-康铜和铜-康铜的康铜，故不能用EN和TN来替换。铁-康铜热电偶的覆盖测量温区为-200~1200℃。（2）铁-康铜热电偶的应用及前景铁-康铜热电偶是国际电工委员会(IEC)标准中规定的七种标准型热电偶之一。其测温范围为－200～900℃,被广泛应用于化工、石油、电站、冶金等部门。制订的该标准结合我国实际情况并参照有关国际标准,对偶丝的均匀性、稳定性作了规定。锰铜、康铜是精密仪器仪表广为使用的精密电阻材料中用量最大的合金。制订的该标准在原JB部颁标准的基础上,在线规、线径允差、电阻允差等方面都采用或参照了IEC的有关规定,提高了线径允差指标,故比原JB标准先进。4传感器测温工作电路热电偶制成后，热电势的大小仅与工作端的温度和自由端的温度有关。如果保持自由端温度为零，则热电势大小仅与工作端温度成对应关系。这就是热电偶测温的原理。我们采用的测温电路图如protel图所示,如图所示,LT1025与热电偶冷结点处于同一温度环境中,冷结点的温度变化使LT1025的8脚输出J型热电偶的补偿电压(51.7uV每摄氏度),该补偿电压不直接加到热电偶上,而是加在放大电路的正输入端,热电偶一端接地。补偿电压与热电偶的测温电压分别加到运算放大器IC2放大。LT1012为皮安级微偏值电流输入/低飘移/低噪声运算放大器,放大器的增益由R1/R2/RP决定,调节RP可以改变输出电压的幅度,用于微调所检测的最高温度。LT1012引脚图如下图所示:5冷端温度补偿热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时，冷端的（环境）温度变化，将影响严重测量的准确性。在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。LT1025为热电偶专用的冷结点补偿集成电路,它可以对EJKRST型热电偶的冷结点进行补偿;内部集成了温度传感器及输出10mV每摄氏度的温度传感电路,另外还输出5路用于对不同种类热电偶冷点进行补偿的温度传感信号如图所示。LT1025内部电路功能原理及引脚功能如图所示.内部电路主要由带温度传感放大器AMP和电阻分压器构成,AMP直接输出10mV每摄氏度的温度传感信号,另外,该型号经内部电阻分压后分别得到合适不同热电偶的冷结点补偿信号。LT1025工作电源电压范围宽(4V~36V),典型工作电流为80uA,电源电压低于10V时,内部温升小于0.1摄氏度。LT1025的主要性能参数如下表:采用LT1025对热电偶温度电路冷结点进行补偿,可以极大地简化电路设计。6热电偶测温误差分析及修正一热电偶的测温误差主要由下列因素引起：(1)热电偶的非均匀性分度误差：由于电偶材料粗细不均匀或不纯等原因，会使热电偶的温差电性与统一的分度表产生一定误差，此误差不应超过有关标准；(2)因