热电偶的工作原理

热电偶的工作原理热电偶（thermocouple）是温度测量仪表中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。各种热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，通常和显示仪表、记录仪表及电子调节器配套使用。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。1.1热电偶工作原理：热电偶是一种感温元件，热电偶由两种不同成份的均质金属导体组成，形成两个热电极端。温度较高的一端为工作端或热端，温度较低的一端为自由端或冷端，自由端通常处于某个恒定的温度下。当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在塞贝克电动势—热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。测得热电动势后,即可知道被测介质的温度。热电偶温度测量由如图所示三部分组成：⑴热电偶⑵毫伏测量电路或毫伏测量仪表⑶连接热电偶和毫伏测量电路的补偿导线与铜线图1-1热电偶温度测量电路：图1-2原理如图1-2所示，热电偶产生的毫伏信号经放大电路后由VT端输出。它可作为A/D转换接口芯片的模拟量输入。第1级反相放大电路，根据运算放大器增益公式：1111012LLOURURU增益为10。第2级反相放大电路，根据运算放大器增益公式：11101200561OOOVTURWRURRWUV）（增益为20。总增益为200，由于选用的热电偶测温范围为0～200℃变化，热电动势0～10mV对应放大电路的输出电压为0～2V。A/D转换接口芯片最好用5G14433，它是三位半双积分A/D，其最大输入电压为1999mV和1999V两档(由输入的基准电压VR决定)。我们应选择1999V档，这样5G14433转换结果(BCD码)和温度值成一一对应关系。如读到的BCD码为01、00、01、05，则温度值为101℃。因此，用5G14433A/D芯片的话，你可以将转换好的A/D结果(BCD码)右移一位(除以10)后直接作为温度值显示在显示器上。如果A/D转换芯片用ADC0809，则在实验前期，应先做两张表格：一、放大电路的输出电压和温度的对应关系，一一测量并记录下来制成表格；二、ADC0809的转换结果(数字量)和输入的模拟电压一一对应关系记录下来并制成表格，然后将这两张表格综合成温度值和数字值的一一对应关系表存入系统内存中，最后，编制并调试实验程序，程序中将读到的A/D转换结果(数字量)通过查表转换成温度值在显示器上显示。1.3热电偶温度测量电路调试热电偶温度测量电路板上VT插孔可以与万用表直接相连，结果为模拟量调试。也可和5G14433的模拟量输入端VX相连。用ADC0809做A/D转换时，ADC0809的IN0连到温度测量电路的VT插孔，结果为数字量调试。将热电偶置于沸水中，调整温度测量电路板的电位器RW1，使输入到A/D转换芯片的电压为1.0V，再在沸水中逐渐加入冷水，输入电压随水温变化而变化，用万用表或示波器测试放大器的工作状态，使放大器输出电压随水温在0～1V变化。如果将热电偶端靠近电铬铁，由于电铬铁的温度较高，达到热电偶的最高温度值。因此，输入到A/D芯片的电压范围可以达到为0～2V。5.压力传感器常用的压力传感器有:电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。压阻式压力传感器：一种将被测件上的应变力变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变压力传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种，如图1-43所示金属电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使金属电阻应变片的阻值发生改变，从而使加在应变金属电阻上的电压发生变化,即可获得应变金属丝的应变情况。金属电阻应变丝的结构示意图金属导体的电阻值可用下式表示：Rp=ρ*L/S式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m）S——导体的截面积（cm2）L——导体的长度（m）这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪用放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。如图1-44所示2．电阻应变片用于压力测量电路2．1电阻应变片的工作原理⑴电阻应变片特性电阻应变片是一种电阻式传感元件，金属电阻应变片的工作原理是附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：R=ρ×L/S式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m）S——导体的截面积（cm2）L——导体的长度（m）以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。应变片电阻值的相对变化量ΔR/R近似地正比于所受力F，实验表明在弹性形变范围内，在一定的非线性度允许的情况下可以认为：ΔR/R≈K0ε⑵压力测量原理压阻式应变压力传感器的主要由电阻应变片按照惠斯通电桥原理组成。应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种电阻应变片都组成应变电桥，并通过后续的测量放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。图3-4测量放大器惠斯通电桥是采用比较法的思想对未知电阻进行测量的。测量时选择一定的比例臂数值（R1/R2）并将电桥调整平衡，就可以将待测电阻（Rx）与标准电阻（R0）进行比较，从而确定待测电阻的阻值原理如图2-2所示，电桥平衡（即电阻应变片未受力F作用）时，R24=R25=R26=RT=R,此时电桥输出为0，当电阻应变片受力后，RT发生变化，电桥输出不为0。CCCCCCCCABUKURRURRRURRRRU44222120）（）（测量放大器①当Ui+=0时,A1同相输入，A2反相输入)1(3029'1RRUUi)(3031'2RRUUi（3-1）②当Ui-=0时,A2同相输入，A1反相输入)(30291RRUUi)1(30312RRUUi（3-2）③总的输出：)()1(302930291'11RRURRUUUUii)()1(303130312'22RRURRUUUUii)1)(()(21191820182211910RRRRRURRUU由于KR1030、KRR13129、KRRR10212018、KR10019；则：))((35120RRUUU；代入U1、U2，化简得：))(21)((3510RRRRUUUgii))(21()(3510RRRRUUUAgiiV（3-3）选153RR，则：)21()(10giiVRRUUUA)21()(30290RRUUUAiiV总增益为120，2．2电阻应变片压力电桥测量电路图2-2电阻应变片压力电桥测量电路2.3电阻应变片压力电桥测量电路调试压力电桥测量电路板上VP插孔可以与万用表直接相连，结果为模拟量调试。也可和5G14433的模拟量输入端VX相连。用ADC0809做A/D转换时，ADC0809的IN0连到温度测量电路的VT插孔，结果为数字量调试。以克为单位砝码加在应变基体上（弹簧片上），万用表测量VP插孔的电压，将得到与砝码重量的对应的电压。图2-2中VP输出接ADC0809转换电路的通道0(IN0)插孔，即压力测量电路的输出接ADC0809模拟量输入端通道0。编写并调试一个程序，使得ADC0809通道0输入的模拟电压经ADC0809转换再通过数字滤波和量纲转换后，将实时地测量到加在应变基体上（弹簧片上）的砝码重量显示在实验系统的显示器上。3．光敏电阻声光测量与与控制开关电路1.元器件⑴4011：CD4011四重与非门⑵可控硅T。可控硅可选用1A、3A、6A、10A、12A单向可控硅。检测：用R×1档，将红表笔接可控硅的负极，黑表笔接可控硅的正极，这时表针无读数；然后用黑表笔触一下可控硅的栅极，这时表针有读数。黑表笔马上离开，这时表针仍有读数。⑶驻极体BM。收录机用的小话筒。检测：用R×100档，将红表笔接驻极体外壳S极、黑表笔接驻极体的S极，这时表针读数540Ω；然后用口对着驻极体吹气，若表针有摆动说明该驻极体是好的，表针摆动越大灵敏度越高。⑷光敏电阻RG。检测：无光照射时RG阻值大于100MΩ，有光照射时光敏电阻RG阻值为20K以下。2.电路原理桥式整流负载为可控硅及可控硅控制电路，可控硅导通则灯亮。可控硅控制电路须满足声、光、延时控制。R1与C2平滑滤波，提供12V直流电压给CD4011和三极管VT。⑴三极管VT组成声控电路声控信号由VT集电极输入与非门U1A，三极管VT工作于截止和饱和二种状态，①AVICCB49.33.119.37.0VIRUUBCCC8.28.1816004.010047125三极管VT工作于饱和状态，集电极输出低电平。②静态是BM阻值550Ω，分压BDUVU7.01210000550550C1⑵光敏电阻RG和电阻R4组成分压式光控电路白天光照射RG，光敏电阻RG阻值为20K以下，RG的分压为七十分之一的电源电压，即RG的分压为低电平。低电平封锁住与非门U1A，阻止声控信号输入与非门U1A。夜晚无光照射RG，光敏电阻RG阻值大于100MΩ，RG的分压为十二分之十的电源电压，即RG的分压为高电平。高电平打开与非门U1A，开放声控信号输入与非门U1A。⑶二极管VD6、电容C3和电阻R7组成延时控制电路①声控信号产生后，与非门U1B输出高电平则VD6导通，输出高电平给电容C3充电，达到高电平。高电平向后面的与非门U1C传送，使与非门U1D输出高电平给可控硅栅极，可控硅导通。②声控信号消失后，与非门U1B输出低电平，由于电容C3上高电平不能突变，VD6反偏而截止。电容C3高电平维持与非门U1D输出高电平给可控硅栅极。同时C3通过电阻R7放电，逐渐达到低电平，产生放电延时。经延时后，与非门U1D输出低电平给可控硅栅极，关断可控硅。3.电路检测与调试⑴声控电路检测与调试无声时，检测驻极体电压UD，VT集电极输出电压。有声时，检测驻极体电压UD，VT集电极输出电压。⑵分压式光控电路检测与调试无光照射RG时，检测RG的分压。有光照射RG时，检测RG的分压。⑶延时控制电路检测与调试先检测有声时，检测电容C3的电压和与非门U1D输出电平。消失后，检测电容C3的电压变化和与非门U1D输出电平变化。