检测技术与智能仪表设计第三专题

1、第7章 热电偶传感器,在这一章里，要给大家介绍有关温度、温标、测温方法等一些基本概念和方法，着重介绍热电偶传感器的原理、分类、特性及其应用。 热电偶传感器属于自发电型传感器。,开尔文是英国著名的物理学家。一百多年前，他建立了热力学温度标度，也称为绝对温标。它的零度，即物质世界可能的最低温度，相当于摄氏零下273度，称为绝对零度。,温标,1、温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。 2、国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。,几种温标的对比,正常体温为37 C ， 相当于华氏温度多少度？,热力学温标（K）,热力学

2、温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文（Kelvin）根据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标。它的符号是T，单位是开尔文（K） 。,威廉汤姆逊开尔文勋爵像,三、温度测量及传感器分类,温度传感器按照用途可分为基准温度计和工业温度计；按照测量方法又可分为接触式和非接触式；按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等等；按输出方式分，有自发电型、非电测型等。,2020/7/6,6,体积热膨胀式,不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。,气体的体积与热力学温度成正比,2020/7/6,7,红外温度计,激光瞄准,热电偶测温的主要优点,1、它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加

3、电源，可直接驱动动圈式仪表； 2、测温范围广：下限可达-180C ，上限可达2800C以上； 3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。,先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）,第二节 热电偶的工作原理及分类,左端称为：测量端（工作端、热端）,热电极B,热电势,A,B,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。这说明什么？,1工作端 2热电极 3指南针 4参考端,2020/7/6,11,

4、动画3：“结点”产生热电势的微观解释,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。,自由电子,A,B,eAB（ T ）,T,热电偶的图形符号,自由电子浓度高，失去电子多， 带正电,自由电子浓度低，失去电子少 得到电子多，带负电,以上演示得出的结论：有关热电偶热电势的讨论,热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差t 的函数： EAB(T，T0)=eAB ( T )- eAB ( T0 ),结论

5、： 热电势大致与两个结点的温差T或t 成正比,2020/7/6,13,从实验到理论得到有关热电效应的结论,如果用两盏酒精灯同时加热两个结点，指南针的偏转角反而减小。这又说明什么？,结论： 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。 热电流的强弱与两个结点的温差有关，而不是与单一的一端结点的温度成正比。,热电偶的种类及结构,八种国际通用热电偶： B:铂铑30铂铑6 、R:铂铑13铂 、S:铂铑10铂 、 K:镍铬镍硅 、 N:镍铬硅镍硅 、 E:镍铬铜镍、 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,5种热电偶的测温范围与热电势各

6、有什么特点？,几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析,哪几种热电偶的测温上限较高？,哪几种热电偶的线性较差？,哪一种热电偶的灵敏度较高？,哪一种热电偶的灵敏度较低？,为什么所有的曲线均过原点（零度点）？,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0C。 本教材的附录D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

7、度表,假设热电偶的冷端温度为0C，请工业中常用的镍铬-镍硅（K）热电偶的分度表，查出-100、0 、 100 时的热电势。,数字式温度表,温度上限设定值,温度上限值设定键,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？,2020/7/6,20,如何由热电偶的热电势查热端温度值,设冷端为0C，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 。,2020/7/6,21,装配型热电偶的外形,安装螺纹,安装法兰,普通装配型热电偶的结构放大图,接线盒,引出线套管,固定螺纹 （出厂时用塑料包裹）,热电偶工作端（热端）,不锈钢保护管,铠装型热电偶,铠装热电偶的制造工艺：

8、把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。 铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。,2020/7/6,24,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）,铠装型热电偶横截面,隔爆型热电偶,结构特点：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，它的接线盒是

9、经过压铸而成的，有一定的厚度、隔爆空间，机构强度较高；采用螺纹隔爆接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。 使用场合：工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。,2020/7/6,26,隔爆型热电偶外形,厚壁保护管,压铸的接线盒,电缆线,2020/7/6,27,其他热电偶外形,小形K型热电偶,第三节 热电偶冷端的延长,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

10、弯曲，便于敷设。,补偿导线在0100C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。,补偿导线型号（续）,补偿导线外形,A,B,屏蔽层,保护层,第四节 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 ，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 ，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： 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不变。此法也称冰浴法，它消除了t0不等于0

11、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。,2020/7/6,33,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,二、计算修正法,当热电偶的冷端温度t0 0C时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势EAB（t，t0）与冷端为0时所测得的热电势EAB（t，0 ）不等。若冷端温度高于0，则EAB（t，t0）EAB（t，0 ）。可以利用下式计算并修正测量误差： EAB（t，0 ）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0 ）,三

12、、仪表机械零点调整法,用螺丝刀调节仪表面板上的“机械零点”，使指针指到气温t0（图中为40 C）的刻度上。,机械零点,指针被预调到室温（40 C ） 可补偿冷端损失,四、电桥补偿法,XT-WBC热电偶 冷端补偿器,电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。,半导体集成温度传感器及热电偶冷端温度的测量,PN结是集成温度传感器的最基础的测温原件,PN结的 温度特性,结论： 二极管的正向电压降UD以 -2mV/ 的趋势 变化,集成温度传感器的类型,集成温度传感器可分为：模拟型集成温度传感器和数字型集成温度传感

13、器。模拟型的输出信号形式有电压型和电流型两种。 电压型的灵敏度多为10mV/（以摄氏温度0作为电压的零点），电流型的灵敏度多为1A/K（以绝对温度0K作为电流的零点）；数字型又可以分为开关输出型、并行输出型、串行输出型等几种不同的形式。,模拟型集成温度传感器,电流输出型集成温度传感器,电流输出型温度传感器能产生一个与绝对温度成正比的电流作为输出，AD590是电流输出型温度传感器的典型产品。,2020/7/6,41,AD590封装示意图,空脚（接地）,AD590的基本转换电路,电流-电压转换电路（10mV/K）,增加负载电阻的阻值可提高输出电压。,2020/7/6,43,电压输出型集成温度传感器

14、 LM35/45,LM35/45的外形及引脚图,2020/7/6,44,电压输出型集成温度传感器 LM35/45,LM35/45构成的摄氏温度测量电路及组装成的测温传感器,2020/7/6,45,在电脑中，集成温度传感器用于CPU散热保护电路,散热风扇,集成温度IC,CPU插座,CPU散热片,数字输出型集成温度传感器,单片集成温度传感器内部包含高达上万个晶体管，能将测温PN结传感器、高精度放大器、多位A/D转换器、逻辑控制电路、总线接口等做在一块芯片中，可通过总线接口，将温度数据传送给诸如单片机、PC、PLC等上位机。不会产生模拟信号传输时电压衰减造成的误差，抗电磁干扰能力较强。,目前在集成温

15、度传感器中常用的总线有：I-Wire总线、I2C总线、USB总线、SPI总线、SMBUS总线等。,2020/7/6,47,专用热电偶冷端温度补偿芯片,MAX6675是基于SPI总线、专门用于对工业中最常用的镍络-镍硅K型热电偶进行温度补偿的芯片。它能将补偿后的热电势转换为代表温度的数字脉冲，从SPI串行接口输出。,第六节 热电偶的应用及配套仪表,由于我国生产的热电偶均符合ITS-90国际温标所规定的标准，其一致性非常好，所以国家又规定了与标准热电偶配套的仪表，它们的显示值为温度，而且均已线性化。国家标准的动圈式显示仪表命名为XC系列。有指示型（XCZ）和指示调节型（XCT）等系列品种。与K型热

16、电偶配套的动圈仪表型号为XCZ-101或XCT-101等。数字式仪表也有指示型（XMZ）和指示调节型（XMT）等几种系列品种。,XCZ系列指针式显示仪表,XC系列动圈式仪表测量机构的核心部件是一个磁电式毫伏计。动圈式仪表与热电偶配套测温时，热电偶、连接导线（补偿导线）、调整电阻和显示仪表组成了一个闭合回路。,1热电偶 2补偿导线 3冷端补偿器 4外接调整电阻 5铜导线 6动圈 7张丝 8磁钢（极靴） 9指针 10刻度面板,XMZ系列智能数字显示仪表,特点： 1、带冷端温度自动补偿； 2、单片机智能化设计，仪表零点、量程等全部参数可按键设定； 3、具有软件校验功能，可通过按键对仪表进行校准； 4

17、、具有超量程指示、断线指示等故障自诊断功能； 5、采用开关电源，电压适应范围宽，仪表体积小、重量轻。 6、220VAC或24VDC供电电源。,2020/7/6,51,XMZ系列智能 数字显示仪表外形,XMT系列热电偶智能数字显示控制仪表的特点,带冷端温度自动补偿； 具有超量程指示、断线指示等故障自诊断功能； 双屏显示、副屏显示内容可设定； 最多可带4路报警控制继电器输出； 每个报警控制点的回差可设定； 每个报警控制点的报警方式（上限报警或下限报警）可分别设定。,2020/7/6,53,其他与热电偶配套的仪表,数字式温度 显示调节仪,DDZ型电动单元组合 仪表中的变送单元之一： 轨装式温度变送器,它能将热电偶（或热电阻）的输入信号线性地转换成与温度成比例的电流（电压）信号，供给显示、控制仪表及计算机集散系统，广泛用于冶金、石油化工、热电站、纺织、造纸等行业的测温控制系统中。,2020/7/6,55,如何根据电路和设备的要求，对测温仪表、电炉进行接线,利