传感器测量技术第8章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第八章 热电偶型传感器,热电偶传感器是一种能将温度信号转换成电动势的传感器。目前在工业生产和科学研究中已得到广泛的应用，并且已经可以选用标准的显示仪表和记录仪表来进行显示和记录。,它具有：,结构简单，制造容易，使用方便，热电偶的电极不受大小和外形的限制，可按照需要进行配制。因为它属于自发电型传感器，因 此测量时，可以不要外加电源；,测温范围广，高温热电偶可达1800,以上, 低温用热电偶可达- 269；,测量精确度较高；,便于远距离测量、自动记录及多点测量。,第一节 热电偶型传感器工作原理,第二节 中间导体定律,第三节 中间温度定律,第四节 参考电极定律,第五节 热电偶的种类,第六节 热电偶冷端延长,第七节 热电偶冷端补偿,第八节 热电偶型传感器应用,第九节 热电偶型传感器综合训练,第一节 热电偶型传感器工作原理,一、热电效应,热电偶的工作原理是基于物体的热电效应。由两种不同材料的导体A和B 组成闭合回路，如图81所示。当两个结点温度不同时，回路中将产生电动势。如果将回路中接入一个毫安表，则毫安表的指针将发生偏转。这种现象即称为热电效应或塞贝克效应。两种不同材料的导体所组成的回路称为“热电偶”。组成热电偶的导体称为“热电极”。热电偶所产生的电动势称为热电动势。热电偶的两个结点中，置于温度为T的被测对象中的结点称之为测量端，又称为工作端或热端，而置于参考温度为T,0,的另一结点称之为参考端，又称自由端或冷端。,二、,珀尔帖效应,热电偶产生的热电动势 （T， ）由接触电动势和温差电动势两部分组成。,接触电动势（珀尔帖电动势）：将两种不同的金属互相接触，如图8,2所示。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，直至在接点处建立起充分强大的电场，能够阻止电子的扩散，从而达到动态平衡。这种在两种不同金属的接点处产生的电动势称为珀尔帖电动势，又称接触电动势。它的数值取决于两种导体的自由电子密度和接触点的温度， 而与导体的形状及尺寸无关。接触电动势 （T）可用下式表示：,（ ）= ,式中： （ ）,A、B两种材料在温度为T时的接触电动势；,T,接触处的热力学温度；,k,玻尔兹曼常数（k=1.3810,-23,J/K）；,电子电荷（ =1.610,-19,C）;,、,热电极材料A、B的自由电子密度。,实践证明，在热电偶回路中起主要作用的是两个结点的接触电动势。如果将单一导体的温差电动势忽略不计，并取 （ ）的方向为正方向，如图8,3所示。则有：,三、热电偶产生的热电动势,由上式可以得出下列结论：,如果热电偶两电极材料相同，即使两端温度不同( ），但总输出电动势仍为零。 因此必需由两种不同材料才能构成热电偶；,如果热电偶两结点温度相同,则回路总的热电动势必然等于零,温差越大，热电动势越大；,热电动势的大小只与材料和结点温度有关，与热电偶的尺寸形状无关。,第二节 中间导体定律,若在热电偶回路中插入中间导体，只要中间导体两端温度相同，则对热电偶回路的总热电动势无影响。这就是中间导体定律。其证明如下：,如图8,4所示，热电偶回路插入中间导体C后总的热电动势为：,因为：,所以 ：,由此可知，总的热电动势与C无关。同理，热电偶回路中插入多种导体后，只要保证插入的每种导体的两端温度相同，则对热电偶的电动势也无影响。,利用热电偶来实际测温时，连接导线、显示仪表和接插件等均可看成是中间导体，只要保证中间导体两端的温度相同，则对热电偶的热电动势没有影响。因此中间导体定律对热电偶的实际应用是非常重要的。,第三节 中间温度定律,在生产实际中，例如：化工厂、火力发电厂等使用的热电偶数量达几千支，将热电偶的冷端（参比端）保持在0是很不现实的。所以，在工程实际中应用中间温度定律可以解决此类问题。,热电偶AB两结点的温度分别为 、 时所产生的热电动势 （ 、 ）等于该热电偶在 、 以及 、 时的热电动势的 （ ， ）,与,（ ， ）的代数和，这就是中间温度定律，如图8,5所示。可用下式表示:,上式中的称为中间温度。中间温度定律的证明如下：,当结点温度不用热力学温度（绝对温度）T表示，而改用摄氏温度t来表示时（t=T,273.16K），则式:,可以改写成下式：,中间温度定律为制定热电偶分度表奠定了基础。,许多年来，科学家们试图研究能否用函数关系式甚至用分段函数来表达热电偶的热端（测量端）温度与热电偶回路所产生的热电势之间的关系，最终没能成功。,所谓分度表就是热电偶自由端（冷端）温度为0时，热电偶工作端（热端）温度与输出热电动势之间的对应关系的表格。如果自由端温度不为0，则可通过上式及分度表求得工作端的温度t。,第四节 参考电极定律,热电偶由A、B两种导体制成，若将A、B两种导体分别于第三种导体C制成如图8,6所示的热电偶，且三个热电偶的热端和冷端热度相同（T, ），则A和B热电偶的热电势 （T，）等于A和C热电偶热电势 （T，）与B和C热电偶热电势 （T，）之差，称标准电极定律，公式为：,（T，）= （T，）- （T，）,上式的证明，可采用中间导体定律的证明方法进行。这里不再重复。,第三种导体C，即热电极C，称为标准电极，也称参考电极，通常用纯铂丝制成。因为铂的物理和化学性能稳定、熔点高、易提纯。热电偶的两个热电极材料是根据需要进行选配的。由于采用了标准电极就大大地方便了这种选配工作，只要知道一些材料与标准电极相配的热电势值，就可以用标准电极定律求出其中任意两种材料配成热电偶后的热电势值。,参考电极定律大大简化了热电偶的选配工作。只要我们获得有关热电极与参考电极配对的热电动势，那么任何两种热电极配对时的热电动势均可按式,求得，以便于筛选出适合工业和科研各方面需要的、性能良好的热电偶。,第五节 热电偶的种类,由分析知道，任意两种导体（或半导体）都可以配制成热电偶作为测温的元件，但实用中总是希望配制成的热电偶的热电势较大、热电势与被测温度之间尽量地呈线性单值关系，且测温的范围较宽。此外，还希望在长期工作中，元件的物理和化学性能稳定、不易氧化和腐蚀、电阻温度系数小和导电率高等等。由此看来，并不是所有材料都适于制作热电偶。一般情况，纯金属热电偶容易复制，但其热电势小；非金属热电极的热电势大、熔点高，但复制性和稳定性都较差；合金热电极的热电性能和工艺性能介于前面两者之间，所以合金热电极使用的比较多。,根据热电极的材料，热电偶可分为难熔金属热电偶、贵金属热电偶、廉金属热电偶、非金属热电偶等；根据测温范围，热电偶可分为高温热电偶、中温热电偶、低温热电偶；根据工业标准化的情况，又分为标准化热电偶和非标准化热电偶。标准化热电偶国家已定型批量生产，它具有良好的互换性，有统一的分度表，并有与之配套的记录和显示仪表。这对生产和使用都带来了方便。,热电极和热电偶的种类繁多，现在我国已采用国际计量委员会规定的“1990国际温标”（简称ITS,90）的新标准。按此标准，共有八种标准化了的通用热电偶，如表8,1所示。表8,1所列热电偶中，写在前面的热电极为正极，写在后面的为负极。对于每一种热电偶，还制定了相应的分度表。见附录。,名称,分度号,代号,测温范围,特点,铂銠,30-,铂銠,6,B,（,LL-2,）,WRR,50,1820,0.033,熔点高，测温上限高，性能稳定，精度高，电动势小；只适用于高温域的测量,铂銠,13-,铂,R,（,PR,）,50,1768,0.647,精度较高，性能稳定，复现性好；但热电动势较小，不能在金属蒸汽和还原性气氛中使用,，,铂銠,10-,铂,S,（,LB-3,）,WRP,50,1768,0.646,同上，性能不如,R,热电偶。长期以来曾作为国际温标的法定标准热电偶,镍铬-镍硅,K,（,EU-2,）,WRN,270,1370,4.096,热电动势大，线性好，稳定性好，廉价；但材质较硬，在1000,以上长期使用会引起热电动势漂移；多用于工业测量,镍铬硅-镍硅,N,270,1370,20774,是一种新型热电偶，各项性能比,K,热电偶更好，适宜于工业测量,镍铬-铜镍（康铜）,E,（,EA-2,）,WRK,270,800,6.319,热电动热比,K,热电偶大,5,0左右，线性好，耐高湿度，价廉；但不能用于还原性气氛；多用于工业测量,铁-铜镍（康铜）,J,（,JC,）,270,760,5.269,价格低廉，在还原性气体中较稳定；但纯铁易被腐蚀和氧化；多用于工业测量,铜,-,铜镍（康铜）,T,（,CK,）,WRC,270,400,4.279,价廉，加工性能好，离散性小，性能稳定，线性好，精度高；铜在高温时易被氧化，测温上限很低；多用于低温域测量，可作（,200,0,）温域的计量标准,注：,铂銠表示该合金含70,铂及30銠，以下类推；,括号内为我国旧的分度号，以下同。,一、铂銠,铂热电偶,铂銠,铂热电偶属于贵金属热电偶。其中，正极较硬，是90铂、10銠的铂銠合金（简写铂銠,10,）。负极柔软，是纯金属铂。该热电偶可测量较高的温度，短时间可测量1600，长时间可工作在1300以下。一般用于较精密的测温或作标准热电偶。由于它的热电势较小，本身电阻较大，测量时需配用灵敏度和准确度较高的仪表。,这种热电偶在氧化气氛中使用时具有相当好的稳定性；在金属蒸汽、金属氧化物、氧化硅及碳氢等还原介质中使用时，需要选用可靠的保护套，否则易遭破坏。,铂銠,铂热电偶有很多优点，尤其在稳定性方面，所以目前被规定为国际实用温标中，在 630.741064.43范围内复现温标的基准仪器。,二、镍铬,镍硅,镍铬,镍硅是非贵金属热电偶中性能最稳定的一种。其热电极通常做得较粗。它的正极不亲磁，是90镍、910铬、0.4硅的合金。负极稍亲磁，是90镍、2.53硅、0.6钴的合金。因为热电极中含有大量镍，故高温下抗氧化能力和抗腐蚀能力都很强。,镍铬,镍硅热电偶短时间可用到1200，长时间可工作在1000以下。它有接近线性的分度曲线。相同温度下，它的热电势值比铂銠-铂热电偶的大45倍,三、铂銠,铂銠热电偶,铂銠,铂銠热电偶属于高温热电偶。其中：正极较硬，是70铂、30銠的合金（简写铂銠,30,）；负极稍软，是94铂、6銠的合金（简写铂銠,6,）。该热电偶在长期使用时，温度可达1600。,四、铜,康铜热电偶,铜,康铜热电偶属于低温热电偶，是低温热电偶中唯一定型的通用热电偶。其中：正极为红色，是纯铜；负极是银白色，是60铜、40镍的康铜合金，主要用于-200300区间的温度测量。,铜,康铜热电偶在低温时具有较好的稳定性，目前在-1000之间被用作标准热电偶，用于校定其它低温仪表。,选择热电偶时，可以充分利用它们的分度表，比较同样温度下不同热电偶的热电势大小。若用分度表的数据画出热电势,温度曲线（称热电偶的热电特性），还可以看出它的线性范围。,第六节 热电偶冷端延长,实际测温时，由于热电偶长度有限，自由端温度将直接受到被测物温度和周围环境温度的影响。例如，热电偶安装在电炉壁上，而自由端放在接线盒内，电炉壁周围温度不稳定，波及接线盒内的自由端，造成测量误差。虽然可以将热电偶做得很长，但这将提高测量系统的成本，是很不经济的。工业中一般采用补偿导线来延长热电偶的冷端，使之远离高温区。,补偿导线测温电路如图8,7所示。补偿导线（A,B）是两种不同材料的、相对比较便宜的金属（多为铜与铜的合金）导体。它们的自由电子密度比和所配接型号的热电偶的自由电子密度比相等，所以补偿导线在一定的环境温度范围内如：（0100）与所配接的热电偶具有相同的温度,热电动势关系，即：,因此，可以把接有补偿导线后的测温回路看作仅由热电偶A、B组成的回路，只是自由端已由 处延伸到 处了。用 A,B与A、B连接后，回路总的热电动势仅取决于A、B、 及 （是新的自由端温度，它是稳定的），而与A、B及连接处的温度 （它是不稳定的）无关。,补偿导线常用廉价金属制造，而且，所用的绝缘材料一般又都是有机绝缘材料，因此，单位长度的电阻较小，且柔软易弯。所以，采用补偿导线不仅可以节约大量贵金属，减小热电偶回路的电阻，而且便于敷设安装。必须指出，使用补偿导线仅能延长热电偶自由端，但不起任何温度补偿作用，故将其称为“补偿导线”是名不符实的习惯用语。现也有称为 “冷端延长线”。这样倒比较确切些。,使用补偿导线时必须注意,:,两根补偿导线与热电偶两个热电极的接点必须具有相同的温度;,各种补偿导线只能与相应型号的热电偶配用；,必须在规定的温度范围内使用；,极性切勿接反。,第七节 热电偶冷端补偿,由热电偶测温原理可知，热电偶的输出电动势是热电偶两端温度t和 差值的函数，当冷端温度 不变时，热电动势与工作端温度成单值函数关系。各种热电偶温度与热电动势关系的分度表都是在冷端温度为零时作出的，因此，用热电偶测温时，若要直接应用热电偶的分度表，就必须满足 =0的条件。像化工厂、发电厂等，要用到大约几百只热电偶，一年四季要恒定到0，在工程实际中是不现实的；而在实际测温中，冷端温度常随环境温度变化而变化，这样，不但不是0，而且也不恒定，因此将引入误差。消除或补偿所能够这个误差的方法，常用的有以下几种：,一、冷端恒温法,冷端恒温法是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。此方法也称冰浴法，它消除了不等于0而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室或研究室中。,也可以将热电偶的冷端置于电热恒温器中，恒温器的温度略高于环境温度的上限。,也可以将热电偶的冷端置于大油槽或空气不流动的大容器中，利用其热惯性，使冷端温度 变化较为缓慢。也可以将冷端置于恒温空调房间中，使冷端温度恒定。,当然，除了冰浴法是使冷端温度保持0外，后两种方法只是使冷端维持在某一恒定（或变化较小）的温度上，因此，后两种方法必须采用下述的方法予以修正。,二、计算修正法,计算修正法是当热电偶的冷端温度 0时，测得的热电动势 （ ， ）与冷端为0时所测得的热电动势 （ ，0）不等。若冷端温度高于0，则 （ ， ） （ ，0）。根据中间温度定律，可以利用下式计算修正测量误差,（ ，0） = （ ， ） + （ ,0）,三、仪表机械零点调整法,仪表机械零点调整法是当热电偶与动圈式仪表配套使用时，若热电偶的冷端温度比较恒定，对测量精度要求又不太高时，可将动圈式仪表的机械零点调整至热电偶冷端所处的温度t,0,处，这相当于在输入热电偶的热电动势之前就给仪表输入一个热电动势E（ t,0,，0）。这样，仪表在使用时所指示的值约为,E(t,0,0)+E(t, t,0,),在进行仪表机械零点调整时，首先必须将仪表的电源和输入信号切断，然后用螺钉旋具有调节仪表面板上的螺钉，使指针指到t,0,的刻度上。当气温变化时，应及时修正指针的位置。,此方法虽有一定的误差，但非常简便，在工业上经常采用。,四、电桥补偿法,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动势变化值，如图8,8所示。热电偶经补偿导线接至补偿电桥，热电偶的冷端与电桥处于同一环境温度中，桥臂电阻 ， ， 由电阻温度系数很小的锰铜丝绕制而成， 是由温度系数较大的铜丝绕制而成的。,设电桥在0时处于平衡，此时，桥路输出电压 =0，电桥无补偿作用。假设环境温度升高，热电偶的冷端温度也随之升高，此时，热电偶的热电动势就有所降低。由于 与冷端处于同一环境温度中，所以 的阻值将增大，电桥失去平衡。由分压比定律可知， 两端压降也随之增大，b点相对于d点的电位就有所上升, U 与 （t，）迭加。若适当选择桥臂电阻和电流的数值，可以使正好补偿热电偶由于端温度升高所损失的热电动势值。由于电桥及热电偶均存在非线性误差，所以无法始终跟踪 （t，0）的变化。冷端补偿器只能在一定的范围内（040）起温度补偿作用。在工程实际中，为了使补偿电桥能在（040）范围内较线性地补偿热电偶的冷端损失，通常使补偿电桥在20处于平衡状态。,再则，如果电桥是在20时平衡，则采用这种电桥补偿时必须把测温仪表的机械零点预先调到20处；如果电桥是被设计成在0时平衡的，则仪表零点应调在0处。,用于电桥补偿法的装置称为热电偶冷端补偿器。冷端温度补偿器通常使用在热电偶与动圈式显示仪表配套的测温装置系统中。而自动电子电位差计或温度变送器及数字式仪表等的测量电路里已设置了冷端温度补偿电路，所以，热电偶与它们相配套使用时不必另行配置冷端补偿器。,五、热电偶的测温线路,热电偶的测温线路是根据用途不同而设计的。例如：当测量控制室距离被测温度处太遥远时，可以利用补偿导线延长热电偶的冷端进行测量和控制；而当在实验室或者研究室测量控制温度时，可以采用冰浴法将热电偶的冷端置于0的冰水混合物中进行温度的测量和控制；热电偶还可以用于测量两点温度之和及温度之差，如图8,9所示。其中：,图8,9（a）是两支同型号的热电偶正向串联，用来测量两点温度之和。若t1=t2=tx，则：当使用多根热电偶串联测温时，就能成倍地提高总的热电动势的输出，大大提高测量的灵敏度，称为热电堆。,图8,9（b）为两支同型号的热电偶反向串联，用来测量两点温度之差。,第八节 热电偶型传感器应用,一、,动圈式温度指示仪,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，如图8,10所示。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）和显示仪表组成了一个闭合回路，设表内电阻为Ris，表外电阻为Ros，Ros包括热电偶内阻r1、补偿导线电阻R2、冷端补偿器等效电阻R3、连接铜导线电阻Rcu、调整电阻R4，即Ros=r1+R2+R3+Rcu+R4。则：流经回路的电流可按欧姆定律来求得：,I=E（t1t0）/（Ris+Ros）,对于相同的热电动势，如果整个测量回路的总电阻值不同，流过动圈式仪表的电流值也不同。动圈仪表在刻度时，规定外线路电阻数值为定值，如配热电偶的动圈表规定Ros为15欧，此值标注在仪表面板上。在实际测温时，Ros都应保持15欧。若不是15欧，应借助调整电阻来凑足15欧。,图8,11是与热电偶配套的动圈仪表外部接线图。其中：“短”、“短”两端在搬运仪表时必须用导线连接起来，以免损坏仪表，在使用时，将短接导线除去。XCT,101是在指示仪表的基础上，加装有调节功能的电子部件，因此，它不仅具有显示功能，还能实现被测温度越限报警或双位调节，其面板上设置了一个温度设定旋钮。当被测温度高于设定温度时，以表内部的继电器动作，可以控制加热回路的通、断。图中“高”、“总”、“低”分别是以表内继电器的常闭触点、动触点和常开触点。当被测温度低于设定的上限值时，“低总”端子接通，“高总”端子断开；当被测温度达到上限值时，“高总”端子接通，而“低总”端子断开。“高”、“总”、“低”三个输出端子在外部通过适当连接，能起到温控或报警的作用。,一、,热电偶冲击焊和接触焊,测量金属壁面温度用的热电偶丝一般都比较细，采用常规焊接法容易烧断，焊接质量不好，可以采用电容充放电原理制成的焊接机。,如图8,12,（,a,）所示是冲击焊示意图。当开关,S,倒向电源测时，电容,C,充电。然后，将,S,倒向工作侧，这时，两电极夹子之间的电压为电容两端的电压。迅速移动电极,2,，到某一时刻，当热偶丝端点与被焊金属表面之间的距离足够小时，空气被击穿放电，产生大量的热，从而，使金属热电偶丝被焊接在金属壁面上。电容冲击焊适宜于,V,形焊和平行焊。焊接质量与冲击电压及冲击速度都有关系,如图8,12（b）所示是接触焊示意图。焊接前先将开关S倒向电源测，电容C充电。电极4将热电偶丝压在被焊金属表面上，此时，产生接触电阻。焊接时，将S倒向另一侧，通过降压变压器形成大的电流，该电流流过接触电阻而产生大量的热，使金属熔化，把热电偶丝焊于金属表面。焊接质量与工作电流和接触电阻的大小有关，电容接触焊适用于交叉焊方式。,三、热电偶测熔融金属,在炼钢厂中，有时，直接将热电极（易耗品）插入钢水中测量钢水的温度，如图813所示。,第九节 热电偶型传感器综合训练,习题,1. 热电动势由两部分电动势组成，一部分是两种导体的_电动势，另一部分是单一导体的_电动势。,2. 热电偶产生热电势必须具备的基本条件是1,、2,。,3. 热电偶中热电势的大小仅与,的性质、,有关，而与热电极尺寸、形状及温度分布无关。,4. 按热电偶本身结构划分，有,热电偶、铠装热电偶、,热电偶、,热电偶。,5. 热电偶冷端电桥补偿电路中，当冷端温度变化时，由,电桥提供一个随冷端温度,的附加电动势，使热电偶回路的输出,冷端温度的变化而改变，达到自动补偿的目的。,6. 热电偶中热电势由（ ）组成。,A、感应电动势 B、温差电动势,C、接触电动势 D、切割电动势,7. 工程（工业）中，热电偶冷端处理方法有（ ）,A、热电动势修正法 B、温度修正法,C、,0恒温法,D、冷端延长法,8. 实用热电偶的热电极材料中，用的较多的是（ ）,A、纯金属 B、非金属,C、半导体 D、合金,9. 简述热电偶能够工作的两个条件是什么？,10. 为什么热电偶多用合金热电极？,11. 目前常用那三种结构的热电偶？它们各自的特点是什么？,12. 简述热电偶测温原理？,13. 现用一只镍铬镍硅热电偶测某换热器内温度，其冷端温度为3,0,C，而显示仪表机械零位为,0,C，这时指示值为40,0,C，若认为换热器内的温度为43,0,C，对不对？为什么？正确值为多少？ E（30，0）=1.203mV,镍铬镍硅热电偶分度表,工作端温度,C,400,410,420,430,440,热电动势,mV,16.395,16.818,17.241,17.664,18.088,14. 已知分度号为S的热电偶冷端温度为，现测得热电势为11.710mV，求热端温度为多少度？,15. 铂电阻温度计在100,C时电阻值为139，当它与热的气体接触时，电阻值增至281，试确定气体的温度。设0,C时的电阻值为100。,16. 将一只铬镍康铜热电偶与电压表相连，电压表接线端是50,C，弱电位计上读数是60Mv，问热电偶热端温度是多少？该热电偶的灵敏度为0.08mV/,C。,