传感器原理与技术课件：热电偶的结构、测温电路与温度补偿

Definition,structureandclassificationofthermistor通过上节课的学习，我们对热电阻的定义及其原理，本节课我们主要学习热电偶的结构、实用测温电路与温度补偿。热电偶的结构、实用测温电路与温度补偿热电偶的结构、实用测温电路与温度补偿温度的检测首先，我们先来看看热电偶的结构形式。热电偶的结构形式适应不同生产对象的测温要求热电偶常见的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜型热电偶等。传感器的概念普通型热电偶铠装型热电偶薄膜型热电偶它通常由热电极加上绝缘套、保护套和接线盒构成热电极绝缘套保护套接线盒普通型热电偶如图2-3-3所示。普通型热电偶

图2-3-3普通型热电偶结构图安装连接螺纹法兰方式根据使用条件，可制成密封式普通型或高压固定螺纹型密封式普通型高压固定螺纹型普通型热电偶铠装型热电偶在类似铠甲保护作用的铠装套与热电偶丝之间填充氧化镁和氧化铝等保护物而构成的热电偶。其结构如图2-3-4所示

图2-3-4铠装型热电偶结构图抗腐蚀抗氧化抗振在目前工业测温和控制系统中已得到广泛的应用工业测温控制系统第三种是薄膜热电偶，薄膜热电偶是用真空蒸镀、化学涂层等方法将热电偶材料蒸镀到绝缘基板上面而制成的热电偶。薄膜热电偶真空蒸镀化学涂层热电偶材料绝缘基板热电偶由于热电偶可以做到很薄（厚度可达0.01~0.1μm)薄膜热电偶热电偶厚度（0.01~0.1μm）测表面温度时不影响被测表面的温度变化其本身热电容量小、动态响应快，故适合于测量微小面积和瞬时变化的温度。热电偶热电容量小动态响应快测量微小面积测量瞬时变化的温度薄膜热电偶除此之外，还有用于测量圆弧形固体表面温度的表面热电偶和用于测量液态金属温度的浸入式热电偶等。热电偶测量圆弧形固体表面温度的表面热电偶测量液态金属温度的浸入式热电偶薄膜热电偶接下来，我们一起来看看热电偶的实用测温电路。热电偶的实用测温电路合理安排热电偶的测温线路提高测温精度提高经济效益维修方面1.一支热电偶配一台显示仪表的测量线路一支热电偶配一台显示仪表的测量线路图2-2-5一支热电偶与单台仪表配置表电位差计线路电阻对测温精度的影响动圈式仪表测量线路电阻对测温精度的影响2.热电偶串联测量线路热电偶串联测量线路将n支相同型号的热电偶正负极依次相连接图2-2-6热电偶串联测量线路图。若n支热电偶的各热电势分别为E1，E2，E3，…，En，则总电势为E串=E1+E2+E3+…+En=nE

式中E为n支热电偶的平均热电势；

n支热电偶的平均热电势串联线路的总热电势为E的n倍

温度

E串所对应的温度可由E串-t关系求得

温度

也可根据平均热电势E在相应的分度表上查出。

串联线路的主要优点是热电势大，精度比单支高；优点热电势大精度比单支高

主要缺点是只要有一支热电偶断开，整个线路就不能工作，个别短路会引起示值显著偏低。缺点一支热电偶断开整个线路不能工作个别短路会引起示值显著偏低3.热电偶并联测量线路热电偶并联测量线路图2-2-7热电偶并联测量线路图将n支相同型号热电偶的正负极分别连在一起如果n支热电偶的电阻值相等，则并联电路总热电势等于n支热电偶的平均值，即E并=（E1+E2+E3+…+En）/n如果n支热电偶的电阻值相等，则并联电路总热电势等于n支热电偶的平均值

4.温差测量线路温差测量线路实际工作中常需要测量两处的温差一种是两支热电偶分别测量两处的温度，然后求算温差；1两支热电偶分别测量两处的温度求算温差另一种是将两支同型号的热电偶反串联，直接测量温差电势，然后求算温差，2将两支同型号的热电偶反串联，直接测量温差电势求算温差如图2-2-8所示。图2-2-8热电偶温差测量线路图前一种测量较后一种测量精度差，对于要求精确的小温差测量，应采用后一种测量方法。图2-2-8热电偶温差测量线路图要求精确的小温差测量最后一个学习的知识点是热电偶的温度补偿热电偶的温度补偿热电效应的原理热电偶热电势与两端温度有关只有将冷端的温度恒定，热电势才是热端温度的单值函数。将冷端的温度恒定热电势热端温度的单值函数热电偶热电偶的温度补偿由于热电偶分度表是以冷端温度为0℃作出的热电偶分度表冷端温度为0℃使用时要正确反映热端温度设法使冷端温度恒为0℃但实际应用中，热电偶的冷端通常靠近被测对象，且受到周围环境温度的影响，其温度不是恒定不变的。热电偶冷端靠近被测对象受到周围环境温度的影响其温度不是恒定不变的采取相应的措施进行补偿或修正1.冷端恒温法冷端恒温法10℃恒温器热电偶的冷端0℃实验室温度测量（2）其他恒温器，将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使之保持恒定温度（2）其他恒温器热电偶的冷端保持恒定温度避免由于环境温度的波动而引入误差这类恒温器可以是盛有变压器油的容器（2）其他恒温器热惰性恒温电加热的恒温器温度不为0℃热电偶冷端修正2.补偿导线法，热电偶由于受到材料价格的限制不可能做得很长补偿导线法2热电偶材料价格的限制不可能做得很长而要使冷端不受测温对象的温度影响冷端热电偶不受测温对象的温度影响补偿导线法2远离温度对象采用补偿导线就可以做到这一点补偿导线补偿导线法2一对材料化学成分不同的导线0℃~1500℃与配接的热电偶有一致的热电特性便宜热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所延长热电极根据中间温度定律，只要热电偶和补偿导线的两个结点温度一致中间温度定律补偿导线热电偶结点温度一致补偿导线法23.计算修正法，上述两种方法解决了一个问题，即设法使热电偶的冷端温度恒定。计算修正法3冷端恒温法补偿导线法设法使热电偶的冷端温度恒定冷端温度并非一定为0℃热电势不能正确反映热端的实际温度为此，必须对温度进正。修正公式为温度修正公式

计算修正法3热电偶热端温度为t，冷端温度为0℃时的热电势

热电偶热端温度为t，冷端温度为0℃时的热电势4.电桥补偿法，计算修正法虽然很精确，但不适合连续测温，图2-2-9电桥补偿电路电桥补偿法4计算修正法不适合连续测温仪表的测温线路补偿电桥利用不平衡电桥产生的电势补偿热电偶因冷端波动引起的热电势的变化如图2-2-9所示。图2-2-9电桥补偿电路电桥补偿法4图2-2-9电桥补偿电路图2-2-8中图2-2-9电桥补偿电路E为热电偶产生的热电势

图2-2-9电桥补偿电路U为回路的输出电压

图2-2-9电桥补偿电路回路中串接了一个补偿电桥。回路串接补偿电桥图2-2-9电桥补偿电路R1~R3及RCM均为桥臂电阻图2-2-9电桥补偿电路桥臂电阻RCM是用漆包铜丝绕制成的图2-2-9电桥补偿电路漆包铜丝RCM是用漆包铜丝绕制成的，它和热电偶的冷端感受同一温度。图2-2-9电桥补偿电路热电偶的冷端感受同一温度R1~R3均用温度系数小的锰铜丝绕成，阻值稳定。图2-2-9电桥补偿电路锰铜丝阻值稳定在桥路设计时，使R1=R2图2-2-9电桥补偿电路桥路设计=并且R1，R2的阻值要比桥路中其他电阻大得多。图2-2-9电桥补偿电路=阻值比桥路电阻大桥路设计这样，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电桥电阻的阻值发生变化左右两桥臂中的电流保持不变恒流特性回路输出电压U为热电偶的热电势E.图2-2-9电桥补偿电路

桥臂电阻RCM的压降URCM图2-2-9电桥补偿电路

及另一桥臂电阻R3的压降UR3图2-2-9电桥补偿电路

三者的代数和图2-2-9电桥补偿电路

当热电偶的热端温度一定，冷端温度升高时，热电势将会减小。热电偶

热电势减小阻值增大

阻值增大

补偿目的自动补偿的条件应为自动补偿的条件

随所用的热电偶材料不同而异I1为流过RCM的电流，

自动补偿的条件α为铜电阻RCM的温度系数，一般取0.0039℃-1;自动补偿的条件

Δt为热电偶冷端温度的变化范围。自动补偿的条件

通过上式，可得

热电偶所产生的热电势与温度大之间的关系是非线性的，每变化1℃所产生的热电势数值并非都相同，但补偿电阻RCM的阻值变化却