第7章 热电偶传感器PPT讲稿.ppt

第7章 热电偶传感器第1页，共43页，编辑于2022年，星期一本章教学目标及重点、难点本章教学目标及重点、难点一一一一.教学目标教学目标教学目标教学目标：1 1、了解热电势效应，了解热电偶的结构及种类。、了解热电势效应，了解热电偶的结构及种类。2 2、掌握热电偶回路的主要性质。、掌握热电偶回路的主要性质。3 3、掌握热电偶自由端温度补偿的常用方法。、掌握热电偶自由端温度补偿的常用方法。4 4、熟悉热电偶的应用。、熟悉热电偶的应用。二二二二.重点及难点：重点及难点：重点及难点：重点及难点：重点：热电偶回路的主要性质，热电偶自由端温度补重点：热电偶回路的主要性质，热电偶自由端温度补偿的常用方法，热电偶的应用；偿的常用方法，热电偶的应用；难点：热电偶自由端温度补偿的常用方法；难点：热电偶自由端温度补偿的常用方法；第2页，共43页，编辑于2022年，星期一7.1 热电偶的工作原理 热电偶传感器是将温度转换成电动势的一种测温热电偶传感器是将温度转换成电动势的一种测温装置，它是工业中使用最为普遍的接触式传感器。装置，它是工业中使用最为普遍的接触式传感器。热电偶热电偶属于有源传感器，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，具有结构简单、性能稳定、测温范围具有结构简单、性能稳定、测温范围大、信号可以远距离传输等特点。大、信号可以远距离传输等特点。热电偶能够将热能直接转换为电信号热电偶能够将热能直接转换为电信号，并且输出直，并且输出直流电压信号，使得显示、记录和传输都很容易。流电压信号，使得显示、记录和传输都很容易。第3页，共43页，编辑于2022年，星期一一一一一.热电效应热电效应热电效应热电效应 将两种不同材料的导体组成一个闭合回路，如图将两种不同材料的导体组成一个闭合回路，如图4.87 4.87 所所示。当两个结合点温度示。当两个结合点温度T T和和T T0 0不同时，则在该回路中就会不同时，则在该回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，相应的电动势称产生电动势，这种现象称为热电效应，相应的电动势称为热电势。为热电势。1.两种不同材料的导体 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。热电效应条件：热电效应条件：第4页，共43页，编辑于2022年，星期一1.两种不同材料导体的组合称为热电偶。2.导体A、B 称为热电极。3.两个接点中，一个接点称为热端，也称为测量端或工作端，测温时它被置于被测介质(温度场)中；另一个接点称为冷端，又称参考端或自由端。第5页，共43页，编辑于2022年，星期一热电动势热电动势（电荷扩散）（电荷扩散）温差电动势温差电动势:同一导体上因两端温度不同引起。同一导体上因两端温度不同引起。接触电动势接触电动势:两种不同导体的接触引起。两种不同导体的接触引起。二二二二.热电势组成热电势组成热电势组成热电势组成：温差电动势和接触电动势温差电动势和接触电动势第6页，共43页，编辑于2022年，星期一接触电势接触电势：是由于两种不同导体的自由电子密度不同：是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。接触电势的数值取决于两而在接触处形成的电动势。接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。两接点的接触电种不同导体的性质和接触点的温度。两接点的接触电势势e eABAB(t)(t)和和e eABAB(t(t0 0)可表示为可表示为:式中：k玻耳兹曼常数，k1.3810-23 J/K；e单位电荷电量，e=1.6010-19C；nA、nBA、B两种材料的自由电子浓度。t、t0接触处的绝对温度。结论：大小与金属材料、接触点的温度接触点的温度有关，而与热电极的几何尺寸无关。第7页，共43页，编辑于2022年，星期一温差电动势温差电动势：是同一导体的两端因其温度不同而产生的一：是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种种电动势，其大小表示为：和 。式中，nAt和nBt 分别为A导体和B导体的自由电子密度，是温度t的函数。结论：大小与A、B两导体材料的性质有关，材料两端温差有关，与热电极的几何尺寸无关。第8页，共43页，编辑于2022年，星期一热电偶回路总电动势热电偶回路总电动势热电偶回路中的温差电动势很小，忽略之，可得热电偶回路中的温差电动势很小，忽略之，可得（t0端以端以B为正）为正）结论：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。如果冷端温度如果冷端温度t t0 0不变，被测温度不变，被测温度t t可通过温差电动势获得。可通过温差电动势获得。热电偶回路中总电动势：热电偶回路中总电动势：第9页，共43页，编辑于2022年，星期一三三.热电偶基本定律热电偶基本定律 由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的尺寸大小、形状及沿电材料及两接点温度有关，与热电偶的尺寸大小、形状及沿电极各处的温度分布无关。极各处的温度分布无关。如果构成热电偶的两种材料相同，如果构成热电偶的两种材料相同，不会产生热电动势。不会产生热电动势。1.均质导体定律 利用该定律，可以检查两种热电极材料是否相同，或一利用该定律，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。种热电极材料是否均匀。第10页，共43页，编辑于2022年，星期一2.2.中间导体定律中间导体定律中间导体定律中间导体定律 断开热电偶回路，接入第三种导体，只要两个新接入点等温，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。则回路总热电动势不变。测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路 该定律说明在冷端接入放大电路，不会影响结果。第11页，共43页，编辑于2022年，星期一第12页，共43页，编辑于2022年，星期一在两端接点温度在两端接点温度tc、t0时的热电动势为：时的热电动势为：则：则：3.中间温度定律如如热电偶热电偶在两端接点温度在两端接点温度t、t0时的热电动势为：时的热电动势为：在两端接点温度在两端接点温度t、tc时的热电动势为：时的热电动势为：第13页，共43页，编辑于2022年，星期一（在热电偶回路中，两接点温度为T、T0时的热电动势，等于该热电偶在接点温度为T、Tc和Tc、T0时热电动势的代数和）在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势EAB(t，t0)等于热电偶AB在接点温度为t、tc和tc、t0时的热电势EAB(t，tC)和EAB(tc，t0)的代数和，如图4.90所示，即 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（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。长线的中间温度无关，只与延长后的两端温度有关。第14页，共43页，编辑于2022年，星期一 如果已知两种导体分别对第三种导体的热电势，则前两如果已知两种导体分别对第三种导体的热电势，则前两种导体之间的热电动势可求：种导体之间的热电动势可求：4.标准电极定律第15页，共43页，编辑于2022年，星期一四四四四.热电偶的分度表热电偶的分度表热电偶的分度表热电偶的分度表 不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表，供使用时查阅，表中温度按10分档，其中间值按内插法计算，即第16页，共43页，编辑于2022年，星期一S型型(铂铑铂铑10-铂铂)热电偶分度表热电偶分度表 第17页，共43页，编辑于2022年，星期一7.2 热电偶材料、结构和种类热电偶材料、结构和种类 对制成热电偶的材料对制成热电偶的材料的要求：的要求：（1 1）温度测量范围广，温度线性度好，测量精确度高，输出）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。热电动势大。（2 2）热电性能稳定。）热电性能稳定。（3 3）物理化学性能好。不蒸发、抗氧化等。）物理化学性能好。不蒸发、抗氧化等。我国标准热电偶有六种我国标准热电偶有六种：（：（具有统一的分度表具有统一的分度表）铜铜-康铜康铜 镍铬镍铬-康铜康铜（E型）型）镍铬镍铬-镍硅镍硅（K型）镍铬镍铬-镍铝镍铝 铂铑铂铑10-铂（铂（S型）型）铂铑铂铑30-铂铑铂铑6（B型）非标准热电偶：非标准热电偶：铂铑铂铑13-13-铂铂 铂铑铂铑-铱铱 等等 发展中产品：发展中产品：镍铬镍铬-康铜康铜 铁铁-康铜康铜 一、热电偶材料一、热电偶材料第18页，共43页，编辑于2022年，星期一 1.1.普通工业热电偶的结构普通工业热电偶的结构 （1 1）热电极）热电极 （2 2）绝缘管）绝缘管 （3 3）保护套管）保护套管 (4)(4)接线盒接线盒 二、热电偶结构2.2.铠装热电偶的结构铠装热电偶的结构（1 1）露端型）露端型（2 2）接壳型）接壳型（3 3）绝缘型）绝缘型(4)(4)圆变截面型圆变截面型(5)(5)扁变截面型扁变截面型热电极热电极绝缘管绝缘管保护套管保护套管接线盒接线盒第19页，共43页，编辑于2022年，星期一三、热电偶种类三、热电偶种类1.1.标准型热电偶标准型热电偶（1 1）铂铑）铂铑30-30-铂铑铂铑6 6 分度号分度号B 0B 017001700度度 （2 2）铂铑）铂铑10-10-铂铂 分度号分度号S 0-1600S 0-1600度度（3 3）镍铬）镍铬-镍硅镍硅 分度号分度号K -200-1200K -200-1200度度(4)(4)镍铬镍铬-康铜康铜 分度号分度号E -200-900E -200-900度度(5)(5)铁铁-康铜康铜 分度号分度号J -200-750J -200-750度度(6)(6)铜铜-康铜康铜 分度号分度号T -200-350T -200-350度度标准热电偶的热电动势见表标准热电偶的热电动势见表7-1。2.2.非标准型热电偶非标准型热电偶 铂铑系、铱铑系、钨铼系热电偶，用于高温测量，铂铑系、铱铑系、钨铼系热电偶，用于高温测量，可达可达25002500度。度。第20页，共43页，编辑于2022年，星期一7.3 热电偶的冷端补偿热电偶的冷端补偿一、冷端恒温法一、冷端恒温法 标准热电偶的热电动势表是以冷端温度为标准热电偶的热电动势表是以冷端温度为0 0度的情况下给出的。度的情况下给出的。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。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。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。因此冷端温度变化必须进行修正和补偿。因此冷端温度变化必须进行修正和补偿。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，保持冷端温度一定。二、补偿导线法二、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，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。如仪表室。第21页，共43页，编辑于2022年，星期一第22页，共43页，编辑于2022年，星期一第23页，共43页，编辑于2022年，星期一 冷端温度为冷端温度为t t1 1不为不为t0(0(0度度)时，可以通过计算获得冷端为时，可以通过计算获得冷端为t t0 0(0(0度度)时时的热电动势：的热电动势：三、三、冷端温度修正法冷端温度修正法采用补偿导线可使热电偶的冷端延伸到温度比较稳定的地方，但只要冷端温度t0不等于0，eAB(t，0)=eAB(t，t0)eAB(t0，0)(4-137)由此可见，测量电势值eAB(t，t0)的修正值为eAB(t0，0)。eAB(t0，0)是参考端温度t0的函数，经修正后的热电势为eAB(t，0)，可由分度表中查出被测实际温度值t。需要对热电偶回路的测量电势值eAB(t，t0)加以修正。当工作端温度为t时，分度表所对应的热电势eAB(t，0)与热电偶实际产生的热电势eAB(t，t0)之间的关系可根据中间温度定律得到下式：第24页，共43页，编辑于2022年，星期一四、电桥补偿法四、电桥补偿法冷端冷端热端热端漆包铜电阻漆包铜电阻当温度升高当温度升高阻值增大阻值增大+-+-恒定电阻恒定电阻冷端升温冷端升温不不变变变变大大变变小小补偿条件：补偿条件：第25页，共43页，编辑于2022年，星期一 例如在冷端温度变化范围例如在冷端温度变化范围050度情况下，铂铑度情况下，铂铑10-铂热电偶的铂热电偶的e=0.299,电流电流I1=0.5mA，补偿电阻的温，补偿电阻的温度系数度系数a=0.00391/度，补偿电阻大小可按补偿条件选择：度，补偿电阻大小可按补偿条件选择：第26页，共43页，编辑于2022年，星期一7.4 热电偶测温线路热电偶测温线路 一、测量单点温度一、测量单点温度热端热端热端热端冷端冷端冷端冷端补偿导线补偿导线补补偿偿导导线线（在表内）（在表内）（在表外）（在表外）第27页，共43页，编辑于2022年，星期一二、测量两点间温度差二、测量两点间温度差 热电动势热电动势1 1热电动势热电动势2 2补偿导线补偿导线第28页，共43页，编辑于2022年，星期一三、测量多点平均温度三、测量多点平均温度-热电偶并联热电偶并联四、热电偶串联四、热电偶串联-增加测量灵敏度增加测量灵敏度第29页，共43页，编辑于2022年，星期一第30页，共43页，编辑于2022年，星期一第31页，共43页，编辑于2022年，星期一7.5 热电偶应用热电偶应用第32页，共43页，编辑于2022年，星期一 常用炉温测量控制系统如图所示。毫伏定值器给出给定温常用炉温测量控制系统如图所示。毫伏定值器给出给定温度的相应毫伏值，热电偶的热电势与定值器的毫伏值相比较，度的相应毫伏值，热电偶的热电势与定值器的毫伏值相比较，若有偏差则表示炉温偏离给定值，此偏差经放大器送入调节器，若有偏差则表示炉温偏离给定值，此偏差经放大器送入调节器，再经过晶闸管触发器推动晶闸管执行器来调整电炉丝的加热功再经过晶闸管触发器推动晶闸管执行器来调整电炉丝的加热功率，直到偏差被消除，从而实现控制温度率，直到偏差被消除，从而实现控制温度。第33页，共43页，编辑于2022年，星期一END第34页，共43页，编辑于2022年，星期一五、采用五、采用PNPN结温度传感器作冷端补偿结温度传感器作冷端补偿 图中，热电偶产生的热电动势经A1放大后通过R9加到A3的反相端，二极管D作为PN结温度传感器，与R4、R5、W1构成直流电桥，置于热电偶的冷端处，当冷端不为零时，桥路有一个不平衡电势输出，经A2放大后通过R10加到A3的同相端，A3的增益为1，其输出VO为热电偶的热电势与补偿电势之和，从而达到了冷端温度自动补偿的目的。第35页，共43页，编辑于2022年，星期一六六、采用集成温度传感器作冷端补偿采用集成温度传感器作冷端补偿 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。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。第36页，共43页，编辑于2022年，星期一 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。第37页，共43页，编辑于2022年，星期一给出一个带冷端补偿及非线性校正的热电偶测温基本电路。第38页，共43页，编辑于2022年，星期一冷端补偿: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.。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，其中T A40.44提供40.44V/的冷端补偿。另一项（273.2A40.44）使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。第39页，共43页，编辑于2022年，星期一非线性校正:测温电路配用K型热电偶;测温范围:0-600;要求相应的输出电压为0V6V(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：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)第40页，共43页，编辑于2022年，星期一 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输入、输出表达式.电路中使用了非线性集成电路芯片AD538实现乘法及指数运算.。第41页，共43页，编辑于2022年，星期一对式（7-15）进行系数转换后得到：若适当调整Rw1，使运放A1的增益为250倍，则输出Ua为:式（7-16）可写成：根据图中的连接方式，AD538的输入UY=UZ=Ua，UX=10V，m=1.Uout=-7.76+Ua-0.0556Uo(mV)其输出UoUa2/10V Ua2/1000mv，将其代入上式得到：第42页，共43页，编辑于2022年，星期一分析输出电压表达式:Uout=-7.76+Ua-0.0556Uo(mV)常数项7.76mV是电路图中AD538第15脚输出10V电压通过R5及R6的分压后获得的；其它两项是运放A2的输出,A2接成差动形式,两个输入电压分别是运放A1的输出Ua和非线性集成电路AD538 的输出Uo.经推导A2输出应为:Ua(1+R4/R7)R3/(R8+R3)U0(R4/R7)将图中各电阻值代入,可得到运放A2的输出:Ua-0.0556Uo由此可见电路可以达到予期的效果.第43页，共43页，编辑于2022年，星期一