自动检测技术第7章--热电偶传感器课件

1、 第一节 热电偶工作原理及基本定律第二节 热电偶的材料、结构及种类第三节 热电偶的冷端补偿第四节 热电偶测温电路第七章 热电偶传感器 热电偶传感器基于热电效应原理而工作。属于有源传感器，使用时不需要外加电源，可以方便地测量炉子、管道中的气体或液体温度，也可以测量固体表面温度。 热电偶传感器结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小、便于远距离传送。第一节 热电偶工作原理及基本定律 1.两种不同导体 2.接成闭合回路 3.两个接点处温度不同回路中会产生热电动势一、热电效应 热电动势（电荷扩散）温差电动势: 同一导体上因两端温度不同引起。接触电动势: 两种不同导体的接触引起。热电偶回路总电动势

2、热电偶回路中的温差电动势很小，忽略之，可得：（t0端以B为正）结论： 热电偶回路中热电动势的大小：（1）取决于两接点间的温度差，（2）取决于两种不同电极的材料。与电路形状无关。如果冷端温度t0不变，被测温度t可通过温差电动势获得。一、热电偶基本定律1.均质导体定律 如果构成热电偶的两种材料相同，不会产生热电动势。利用该定律，可以检查两种热电极材料是否相同，或一种热电极材料是否均匀。2.中间导体定律 断开热电偶回路，接入第三种导体，只要两个新接入点等温，则回路总热电动势不变。该定律说明在冷端接入放大电路，不会影响结果。3.标准电极定律 如果已知两种导体分别对第三种导体的热电动势，则前两种导体之间

3、的热电动势可求。 则： 根据该定律，热电偶本身的导线如果不够长，可以用同样性质（同样热电特性）的补偿导线加以延长。延长后的热电动势与延长线的中间温度无关，只与延长后的两端温度有关。4.中间温度定律 如果热电偶 在两端接点温度t、t0时的热电动势为 在两端接点温度t、tn时的热电动势为 在两端接点温度tn、t0时的热电动势为 第二节 热电偶材料、结构及种类 对制成热电偶的材料的要求： （1）温度测量范围广，温度线性度好，测量精确度高，输出热电动势大。 （2）热电性能稳定。 （3）物理化学性能好。不蒸发、抗氧化等。 标准热电偶有六种： 铜-康铜 镍铬-考铜 镍铬-镍硅 镍铬-镍铝 铂铑10-铂 铂

4、铑30-铂铑6 非标准热电偶： 铂铑13-铂 铂铑-铱 等 发展中产品： 镍铬-康铜 铁-康铜 一、热电偶材料1.普通工业热电偶的结构（1）热电极（2）绝缘管（3）保护套管 (4) 接线盒热电极绝缘管保护套管接线盒二、热电偶结构铠装型热电偶是将热电偶丝,绝缘材料和金属保护套管三者组合装配后,经过拉伸加工而成的一种坚实的组合体。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，作为测量温度的传感器，同时，亦可以作为装配式热电偶的感温组件。 （1）露端型（2）接壳型（3）绝缘型（4）圆变截面型（5）扁变截面型2.铠装热电偶的结构三、热电偶种类1.标准型热

5、电偶（1）铂铑30-铂铑6 分度号B 01700度 （2）铂铑10-铂 分度号S 0-1600度（3）镍铬-镍硅 分度号K -200-1200度 (4) 镍铬-康铜 分度号E -200-900度 (5) 铁-康铜 分度号J -200-750度 (6) 铜-康铜 分度号T -200-350度标准热电偶的热电动势见表7-1。2.非标准型热电偶 铂铑系、铱铑系、钨铼系热电偶，用于高温测量，可达2500度。铂铑30-铂铑6 分度号B 铂铑30-铂铑6热电偶（B型热电偶）为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差为0.015mm，其正极的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为30%，含铂为70%，负

6、极为铂铑合金，含铑为量6%，故俗称双铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度为1600，短期最高使用温度为1800。B型热电偶具有准确度最高，稳定性最好，测量温区宽，使用寿命长，测温上限高等优点。适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸气气氛中。B型热电偶一个明显的优点是不需用补偿导线进行补偿，因为在0-50范围内热电势小于3V。B型热电偶不足之处是热电势输出较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，对污染敏感。由于贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。 铂铑10-铂 分度号S 铂铑10-铂热电偶（S型热电偶）为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm,允许偏差

7、为0.015mm，其正极的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为10%，含铂为90%，负极为纯铂，故俗称单铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度为1300，短期最高使用温度为1600。S型热电偶具有准确度最高，稳定性最好，测量温区宽，使用寿命长等优点。它的物理，化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中。 镍铬-镍硅 分度号K K型热电偶是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。K型热电偶丝直径一般为1.2-4.0mm。正极的名义化学成分为:Ni:Cr=90:10，负极的名义化学成分为:Ni:Si=97:3，其使用温度范围一般为-200到1200。 K型

8、热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中，所以广泛为用户所采用。 K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛. 镍铬-康铜 分度号EE型热电偶是一种廉金属的热电偶，正极为镍铬10合金，化学成分与KP相同，负极为铜镍合金，名义化学成分为：55%的铜，45%的镍以及少量的锰，钴，铁等元素。该热电偶的 使用温度范围为-200到900。E型热电偶的特点是输出热电动势大，灵敏度高。适宜制成热电堆，测量微小的温度变化。对于高湿度气氛的腐蚀不甚灵敏，可用于湿度较高的环境。它还具有

9、稳定性好，价格便宜等优点。它的抗氧化性能优于铜-康铜、铁-康铜热电偶，广泛用于氧化性和惰性气氛的工作环境中。E型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性气氛中，热电势均匀性较差。 铁-康铜 分度号JJ型热电偶又称铁-康铜热电偶，也是一种价格低廉的廉金属的热电偶。它的正极的名义化学成分为纯铁，负极为铜镍合金，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-康铜中的康铜，故不能用来替换。测量温区为-200到1200，但通常使用的温度范围为0到750。J型热电偶具有线性度好、热电动势输出较大、灵敏度较高、稳定性和均

10、匀性较好、价格便宜等优点,广为用户所采用。 J型热电偶可用于真空、氧化、还原和惰性气氛中，但正极铁在高温下氧化较快，故使用温度受到限制，也不能无保护地直接在高温下用于硫化气氛中。 铜-康铜 分度号TT型热电偶又称为铜-康铜热电偶，它也是一种最佳的测量低温的廉金属热电偶。其正极是纯铜，负极为铜镍合金，常称之为康铜。T型热电偶具有线性度好、热电动势较大、灵敏度较高、稳定性和均匀性较好、价格便宜等优点,特别适合在-2000温区内使用。T型热电偶的正极铜在高温下抗氧化性能差，故使用温度上限受到限制。 各类铠装热电偶第三节 热电偶的冷端补偿一、冷端恒温法 标准热电偶的热电动势分度表是以冷端温度为0度的条

11、件下给出的。只有在冷端温度不变时，热端温度才能通过热电动势检测出来。如果冷端温度因环境而变化，会严重影响温度测量数据的精度。因此在实际使用时，必须对冷端温度的变化进行修正和补偿。1.采用0度恒温器，保持冷端温度为0度。2.采用其他恒温器，保持冷端温度恒定。若不为0度，必须进行修正。二、补偿导线法 利用与热电偶热电特性一致的补偿导线，将热电偶延伸到恒温的冷端（如仪表室）。根据中间温度定律，只要补偿导线的两个接点温度一致，不会影响热电动势输出。补偿导线见图，类型见表。三、计算修正法 冷端温度不为0度时，测出的热电势不能正确反映热端的实际温度，需要进行计算修正，方法如下： 例如，用镍铬-镍硅热电偶测

12、炉温，当冷端温度为30 （且为恒定时），测出热端温度为时的热电动势为39.17，求炉子的真实温度。 由镍铬-镍硅热电偶分度表查出（30，0）1.20，根据式（7-11）计算出：（t，t0）（39.17+1.20)40.37再通过分度表查出其对应的实际温度为:977 计算修正法虽然很精确，但不适合连续测温。为此，有些仪表的测温线路中带有补偿电桥，利用不平衡电桥产生的电动势补偿热电偶因冷端波动引起的热电动势的变化。下面以型温度变送器的输入回路为例加以说明。 型温度变送器能与各种常用热电偶配合使用，将温度参数转换成直流电流统一信号。其热电偶输入回路的简化图如图所示。四、电桥补偿法冷端热端漆包铜电阻当

13、温度升高阻值增大+-+-恒定电阻冷端升温不变变大变小补偿条件： 图中，为热电偶产生的热电动势，为回路的输出电压。回路中串接了一个补偿电桥。及均为桥臂电阻。是用漆包铜丝绕制成的，它和热电偶的冷端感受同一温度。均用锰铜丝绕成，阻值稳定。在桥路设计时，使，并且、的阻值要比桥路中其他电阻大得多。这样，即使电桥中其他电阻的阻值发生变化，左右两桥臂中的电流却差不多保持不变，从而认为其具有恒流特性。线路设计使得0.5。回路输出电压为热电偶的热电动势、桥臂电阻的压降及另一桥臂电阻上的压降三者的代数和，即: 当热电偶的热端温度一定，冷端温度升高时，热电动势将会减小。与此同时，铜电阻的阻值将增大，从而使增大，由此

14、达到了补偿的目的。自动补偿的条件应为: 式中，为热电偶冷端温度变化引起的热电动势的变化，它随所用的热电偶材料不同而异；为流过的电流，即0.5；为铜电阻的温度系数，一般取0.00391；为热电偶冷端温度的变化范围。 例如,在冷端温度变化范围050度情况下，铂铑10-铂热电偶的e=0.299,电流I1=0.5mA,补偿电阻的温度系数 =0.00391/ ,补偿电阻大小可按补偿条件选择：五、采用PN结温度传感器作冷端补偿 采用结温度传感器作冷端补偿补偿电路如图所示。图中，热电偶产生的热电动势经1放大后通过9加到3的反相端，二极管作为结温度传感器，与4、5、构成直流电桥，置于热电偶的冷端处，当冷端不为

15、零时，桥路有一个不平衡电动势输出，经2放大后通过10加到3的同相端，3的增益为，其输出为热电偶的热电动势与补偿电动势之和，从而达到了冷端温度自动补偿的目的。当冷端温度变化为时，补偿精度可达0.5。六、采用集成温度传感器作冷端补偿 TMP35的输出经 R1与R2的分压，R2上得到的压降V2为冷端补偿电压，V1为热电势，Vo = V1 + V2 ,为经补偿后的输出。图中冷端补偿采用TMP35，这是一种高精度的电压型集成温度传感器，其主要特点是：工作电压低，仅为2.75.5V；静态电流小于50mA；外围元件少，使用相当方便。TMP35的测温范围为+10+125C，正处于热电偶的冷端变化范围内，它的灵

16、敏度为10mV/C,在0C时输出电压为0V，当温度为25C时，输出电压为250mV。这是采用该补偿器的热电偶测量电路，测温范围为0250C，用运放OP193作为放大器，相应的输出电压为02.5V（灵敏度为10mV/C）。图中，经TMP35补偿后的输出加到OP193的同相端，调节电位器RP1，改变放大器的增益，使温度在250C时，输出2.5V即可。 这是一个带冷端补偿及非线性校正的热电偶测温基本电路 冷端补偿采用电流型集成温度传感器AD592,其输出电流与绝对温度成正比。在0时，AD592输出电流为273.2A，灵敏度为1A/ 。 对于K型热电偶，在25中心范围，具有40.44V/的温度系数。

17、AD592输出电流在电阻Ra上转换为补偿电压。当环境温度为T时，适当调整Rw2，使得Ra上的压降为： （273.2+T）A40.44 上式说明AD592可以提供40.44V/的冷端补偿。 但当T为零时，热电偶正极对地存在11.05mV的误差电压即,解决的方法是在运算放大器OP07的反相输入部分加偏置电压抵偿。在电路中，通过AD538的4脚引出10V电压，经R1及R2分压，由于R1=1.1，R2=10k，故R1上的压降为11mV,从而引入了抵偿电压。 温差电势的近似表达式，可由切比雪夫(Chebyshev)展开式求得。(取到2次幂 ) 非线性校正部分: 测温电路配用K型热电偶，测温范围:0-60

18、0，要求相应的输出电压为0V-6V(6000mV)。 K型热电偶0和600时的热电势分别为0mV和24.902mV ,测温电路放大倍数应为:6000mV/24.902mv240.94。若电路为线性,被测温度为300时,测温电路的输出电压为:12.207mV240.94 2941.15mV3000mV,仪表的指示并不是300 .这是由热电偶本身的非线性造成的。 利用高次多项式实现线性化。 热电偶的温差电势可近似表示为： 将600时的温差电势Uin=24.902mV代入上式，得到输出Uout=600mV，要得到满量程时6V的输出，将上式扩大10倍后得到： 由上式可验证，300时，E=12.207mV，Uout=2991.6mV（相当于299.2）；600时，E=24.902mV，Uout=6001.2mV（相当于600.1）。从而完成了非线性校正。 式7-15就相当于给出了具有非线性校正的热电偶测温电路