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1、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。 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 热电偶的工作原理,1.两种不同导体 2.接成闭合回路 3.两个接点处温度不同,一、热电效应,回路中会产生热电动势。,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,热电偶回路中的温差电动势很小，忽略之，可得,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
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，则前两种导体之间的热电动势可求。,3.中间温度定律： 如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
3、为 在两端接点温度tn、t0时的热电动势为,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。,第二节 热电偶材料、结构和种类,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。 我国标准热电偶有六种： 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
4、.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,二、热电偶结构,2.铠装热电偶的结构 （1）露端型 （2）接壳型 （3）绝缘型 (4) 圆变截面型 (5) 扁变截面型,二、热电偶种类,1.标准型热电偶,（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
5、铼系热电偶，用于高温测量，可达2500度。,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表是以冷端温度为0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。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。,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,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。,冷端温度为t1不为t0(0度)时，可以通过计算获得冷端为t0(0度)时的热电动势：,三、计算修正法,四、电桥补偿法,冷端,热端,漆包铜电
6、阻 当温度升高 阻值增大,+,-,-,-,+,+,+,-,恒定电阻,冷端升温,不 变,变 大,变 小,补偿条件：,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a=0.00391/度,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,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
7、之和，从而达到了冷端温度自动补偿的目的。,六、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。,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OP19
8、3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。,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。,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
9、.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。,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,
10、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 ),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）
11、。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.。,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：,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.,第四节 热电偶测温线路,二、测量两点间温度差,三、热电偶并联-测多点平均温度,四、热电偶串联-增加测量灵敏度,
