1、項(xiàng)目項(xiàng)目8 熱電偶測溫傳感器的安熱電偶測溫傳感器的安裝與測試裝與測試項(xiàng)目描述項(xiàng)目描述 本項(xiàng)目安裝并測試一臺(tái)熱電偶測溫傳感器。 把溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢的熱電式傳感器稱為熱電偶。熱電偶測量精度高，測量范圍廣，構(gòu)造簡單，使用方便，在工業(yè)測溫中得到了廣泛應(yīng)用。 知識(shí)和能力目標(biāo)； 掌握熱電效應(yīng)概念及熱電偶基本定律。 熟悉熱電偶傳感器的基本結(jié)構(gòu)、類型及常用熱電偶。 能正確熟練查找熱電偶分度表。 熟悉電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用，掌握熱電偶冷端補(bǔ)償方法。知識(shí)準(zhǔn)備知識(shí)準(zhǔn)備 一、熟悉熱電效應(yīng)一、熟悉熱電效應(yīng) （一）熱電效應(yīng)及基本概念（一）熱電效應(yīng)及基本概念 1熱電效應(yīng) 將兩種不同成分的導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路，如圖8-1所示，

2、當(dāng)閉合回路的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)分別置于不同的溫度場中時(shí)，回路中將產(chǎn)生一個(gè)電勢，這種現(xiàn)象稱為“熱電效應(yīng)”。兩種導(dǎo)體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導(dǎo)體稱為“熱電極”，產(chǎn)生的電勢則稱為“熱電勢”，熱電偶的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，一個(gè)稱為測量端（工作端或熱端），另一個(gè)稱為參考端（自由端或冷端）。熱電勢由兩部分組成，一部分是兩種導(dǎo)體的接觸電勢，另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電勢。圖8-1 熱電偶回路原理 2接觸電勢接觸電勢 當(dāng)A和B兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時(shí)，由于兩者內(nèi)部單位體積的自由電子數(shù)目不同（即電子密度不同），因此，電子在兩個(gè)方向上擴(kuò)散的速率就不一樣。 3溫差電動(dòng)勢溫差電動(dòng)勢 如圖8-2（b）所示，將某一導(dǎo)體兩端分別置于不同的

3、溫度場T、T0中，在導(dǎo)體內(nèi)部，熱端自由電子具有較大的動(dòng)能，向冷端移動(dòng)，從而使熱端失去電子帶正電荷，冷端得到電子帶負(fù)電荷。 4熱電偶的電勢熱電偶的電勢 設(shè)導(dǎo)體A、B組成熱電偶的兩結(jié)點(diǎn)溫度分別為T和T0，熱電偶回路所產(chǎn)生的總電動(dòng)勢包括接觸電動(dòng)勢 、 ；溫差電動(dòng)勢 、 一般地，在熱電偶回路中接觸電動(dòng)勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溫差電動(dòng)勢，所以溫差電動(dòng)勢可以忽略不計(jì)，上式可改寫成 （5-4） 綜上所述，可以得出以下結(jié)論: （1）如果熱電偶兩材料相同，則無論結(jié)點(diǎn)處的溫度如何，總電勢為0; （2）如果兩結(jié)點(diǎn)處的溫度相同，盡管A、B材料不同，總熱電勢為0;AB( )eTAB0()eTA0()eTT、B0()eTT、AAAAB

4、0ABAB00BBBkkk()( )()lnln()lneeenTnnTETTeTeTT nnn、- （3）熱電偶熱電勢的大小，只與組成熱電偶的材料和兩結(jié)點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀尺寸無關(guān)，當(dāng)熱電偶兩電極材料固定后，熱電勢便是兩結(jié)點(diǎn)電勢差; （4）如果使冷端溫度0保持不變，則熱電動(dòng)勢便成為熱端溫度的單一函數(shù)。用實(shí)驗(yàn)方法求取這個(gè)函數(shù)關(guān)系。通常令0=0，然后在不同的溫差（TT0）情況下，精確地測定出回路總熱電動(dòng)勢，并將所測得的結(jié)果列成表格（稱為熱電偶分度表，見附錄），供使用時(shí)查閱。 （二）熱電偶基本定律（二）熱電偶基本定律 1均質(zhì)導(dǎo)體定律均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路中，不論導(dǎo)體的

5、截面和長度如何以及各處的溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。 這一定律說明，熱電偶必須采用兩種不用材料的導(dǎo)體組戒，民熱電偶的熱電動(dòng)勢僅與兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與洽熱電極的撇度分布無關(guān)。 2中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律 在熱電偶中接入第3種均質(zhì)導(dǎo)體，只要第3種導(dǎo)體的兩結(jié)點(diǎn)溫度相同，則熱電偶的熱電勢不變。 熱電偶的這種性質(zhì)在實(shí)用上有很重要的意義，它使我們可以方便地在回路中直接接入各種類型的顯示儀表或調(diào)節(jié)器，也可以將熱電偶的兩端不焊接而直接插入液態(tài)金屬中或直接焊在金屬表面測量。 推論：在熱電偶中接入第4、5種導(dǎo)體，只要保證插入導(dǎo)體的兩結(jié)點(diǎn)溫度相同，且是均質(zhì)導(dǎo)體，則熱電偶的熱電勢仍不變。 3標(biāo)準(zhǔn)電極定律（參考電

6、極定律）標(biāo)準(zhǔn)電極定律（參考電極定律） 如圖8-4所示，已知熱電極A、B分別與標(biāo)準(zhǔn)電極C組成熱電偶在結(jié)點(diǎn)溫度為（T，T0）時(shí)的熱電動(dòng)勢分別為和，則在相同溫度下，由A、B兩種熱電極配對后的熱電動(dòng)勢為 參考電極定律大大簡化了熱電偶的選配工作。只要獲得有關(guān)熱電極與參考電極配對的熱電動(dòng)勢，那么任何兩種熱電極配對時(shí)的熱電動(dòng)勢均可利用該定律計(jì)算，而不需要逐個(gè)進(jìn)行測定。 000( ,)( ,)( ,)ABACBCET TET TET T 例 8.1 已知鉑銠30-鉑熱電偶的EAC（1 084.5,0）=13.937（mV），鉑銠6-鉑熱電偶的EBC（1 084.5,0）=8.354（mV）。求鉑銠30-鉑銠6

7、在相同溫度條件下的熱電動(dòng)勢。 解：由標(biāo)準(zhǔn)電極定律可知，所以EAB（1 084.5,0）=EAC（1 084.5,0）EBC（1 084.5,0）=13.9378.354=5.583（mV） 4中間溫度定律中間溫度定律 熱電偶在兩結(jié)點(diǎn)溫度分別為T、T0時(shí)的熱電勢等于該熱電偶在結(jié)點(diǎn)溫度為T、Tn和Tn、T0相應(yīng)熱電勢的代數(shù)和，即 中間溫度定律為在工業(yè)測量溫度中使用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論基礎(chǔ)。:只要遠(yuǎn)配與熱電偶熱電特性相同的補(bǔ)償導(dǎo)線，便可使熱電偶的參考端延長，使之遠(yuǎn)離熱源到達(dá)一個(gè)溫度相對穩(wěn)定的地方而不會(huì)影響測溫的準(zhǔn)確性。 該定律是參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)，其等效示意圖如圖8-5所示。AB0ABAB

8、0( ,)( ,)(,)nnET TET TET T 在實(shí)際熱電偶測溫回路中，利用熱電偶這一性質(zhì)，可對參考端溫度不為0的熱電勢進(jìn)行修正。 例 5.2 鎳鉻-鎳硅熱電偶，工作時(shí)其自由端溫度為30，測得熱電勢為39.17mV，求被測介質(zhì)的實(shí)際溫度。 解：由t0=0，查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表，E（30，0）=1.2mV，又知E（t，30）=39.17mV，所以E（t，0）= E（30，0）+E（t，30）=1.2mV+39.17mV=40.37mV。再用40.37mV反查分度表得977，即被測介質(zhì)的實(shí)際溫度。二、認(rèn)識(shí)熱電偶基本結(jié)構(gòu)二、認(rèn)識(shí)熱電偶基本結(jié)構(gòu) （一）熱電偶基本結(jié)構(gòu)類型（一）熱電偶基本結(jié)構(gòu)類

9、型 1普通型熱電偶普通型熱電偶 普通型結(jié)構(gòu)熱電偶工業(yè)上使用最多，它一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成，其結(jié)構(gòu)如圖8-6所示。 2鎧裝型熱電偶鎧裝型熱電偶 鎧裝型熱電偶又稱套管熱電偶。它是由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅(jiān)實(shí)組合體，如圖5-8所示。它可以做得很細(xì)很長，使用中隨需要能任意彎曲。鎧裝型熱電偶的主要優(yōu)點(diǎn)是測溫端熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，機(jī)械強(qiáng)度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上，因此被廣泛用在許多工業(yè)部門中。 3薄膜熱電偶薄膜熱電偶 用真空蒸鍍（或真空濺射）、化學(xué)涂層等工藝，將熱電極材料沉積在絕緣基板上形成的一層金屬薄膜。熱電偶測量端既小又?。ê穸瓤蛇_(dá)0.010

10、.1m），因而熱慣性小，反應(yīng)快，可用于測量瞬變的表面溫度和微小面積上的溫度。 （二）熱電偶材料（二）熱電偶材料 1對熱電極材料的一般要求對熱電極材料的一般要求（1）配對的熱電偶應(yīng)有較大的熱電勢，并且熱電勢對溫度盡可能有良好的線性關(guān)系;（2）能在較寬的溫度范圍內(nèi)應(yīng)用，并且在長時(shí)間工作后，不會(huì)發(fā)生明顯的化學(xué)及物理性能的變化;（3）電阻溫度系數(shù)小，電導(dǎo)率高;（4）易于復(fù)制，工藝性與互換性好，便于制定統(tǒng)一的分度表，材料要有一定的韌性，焊接性能好，以利于制作。 2電極材料的分類電極材料的分類（1）一般金屬: 如鎳鉻-鎳硅，銅-鎳銅，鎳鉻-鎳鋁，鎳鉻-考銅等。（2）貴金屬: 這類熱電偶材料主要是由鉑、銥、

11、銠、釕、鋨及其合金組成，如鉑鐒-鉑、銥銠-銥等。（3）難熔金屬: 這類熱電偶材料系由鎢、鉬、鈮、錸、鋯等難熔金屬及其合金組成，如鎢錸-鎢錸、鉑銠-鉑銠等熱電偶。 3絕緣材料絕緣材料 （1）有機(jī)絕緣材料：這類材料具有良好的電氣性能、物理及化學(xué)性能，以及工藝性，但耐高溫、高頻和穩(wěn)定性較差。 （2）無機(jī)絕緣材料：其有較好的耐熱性，常制成圓形或橢圓形的絕緣管，有單孔、雙孔、四孔及其他特殊規(guī)格。其材料有陶瓷、石英、氧化鋁和氧化鎂等。 4保護(hù)管材料保護(hù)管材料 對保護(hù)材料的要求如下： （1）氣密性好，可有效地防止有害介質(zhì)深入而腐蝕結(jié)點(diǎn)和熱電極； （2）應(yīng)有足夠的強(qiáng)度及剛度，耐振、耐熱沖擊； （3）物理化學(xué)性

12、能穩(wěn)定，在長時(shí)間工作中不至于介質(zhì)、絕緣材料和熱電極互相作用，也不產(chǎn)生對熱電極有害的氣體； （4）導(dǎo)熱性能好，使結(jié)點(diǎn)與被測介質(zhì)有良好的熱接觸。（三）常用熱電偶（三）常用熱電偶 目前工業(yè)上常用的有4種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，即鉑銠30-鉑銠6，鉑銠10-鉑，鎳鉻-鎳硅和鎳鉻-銅鎳（我國通常稱為鎳鉻-康銅）熱電偶。下面簡要介紹其性能。 1標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶 從1988年1月1日起，我國熱電偶和熱電阻的生產(chǎn)全部按國際電工委員會(huì)（IEC）的標(biāo)準(zhǔn)，并指定S、B、E、K、R、J、T 7種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。但其中的R型（鉑銠13-鉑）熱電偶，因其溫度范圍與S型（鉑銠10-鉑）重合，我國沒有生產(chǎn)和

13、使用。 鉑銠10-鉑： 型號(hào)為WRP，分度號(hào)是S（舊的分度號(hào)是LB-3）。測溫范圍是01 600 鎳鉻-鎳硅： 型號(hào)為WRN，分度號(hào)是K（舊的分度號(hào)是EU-2）。測溫范圍是2001 300 鉑銠30-鉑銠6： 型號(hào)為WRR，分度號(hào)是B（舊的分度號(hào)是LL-2）。 鎳鉻-考銅： 型號(hào)為WRK，分度號(hào)是EA-2，測溫范圍是0800， 2非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶 （1）銥和銥合金熱電偶 （2）鎢錸熱電偶 （3）金鐵-鎳鉻熱電偶 （4）鈀-鉑銥15熱電偶 3. 熱電偶安裝注意事項(xiàng)熱電偶安裝注意事項(xiàng) 熱電偶主要用于工業(yè)生產(chǎn)中集中顯示、記錄和控制用的溫度檢測。在現(xiàn)場安裝時(shí)要注意以下問題： (1)插人深度

14、要求 安裝時(shí)熱電偶的測量端應(yīng)有足夠的插入深度，管道上安裝時(shí)應(yīng)使保護(hù)套管的測量端超過管道中心線510mm。 (2)注意保溫 為防止傳導(dǎo)散熱產(chǎn)生測溫附加誤差，保護(hù)套管露在設(shè)備外部的長度應(yīng)盡量短，并加保保溫層。 (3)防止變形三、熱電偶實(shí)用測溫線路和溫度補(bǔ)償三、熱電偶實(shí)用測溫線路和溫度補(bǔ)償 （一）（一）熱電偶實(shí)用測溫線路 1測量某點(diǎn)溫度的基本電路 2測量溫度之和熱電偶串聯(lián)測量線路 將N支相同型號(hào)的熱電偶正負(fù)極依次相聯(lián)接，如圖8-10所示。 3測量平均溫度測量平均溫度熱電偶并聯(lián)測量線路熱電偶并聯(lián)測量線路 將N支相同型號(hào)熱電偶的正負(fù)極分別連在一起，如圖8-11所示。 4測量兩點(diǎn)之間的溫度差（二）熱電偶的

15、冷端遷移（二）熱電偶的冷端遷移 工業(yè)中一般是采用補(bǔ)償導(dǎo)線來延長熱電偶的冷端，使之遠(yuǎn)離高溫區(qū)。將熱電偶的冷端延長到溫度相對穩(wěn)定的地方。 所謂補(bǔ)償導(dǎo)線，實(shí)際上是一對材料化學(xué)成分不同的導(dǎo)線，在0150溫度范圍內(nèi)與配接的熱電偶有一致的熱電特性，價(jià)格相對要便宜。 由此可知，我們不能用一般的銅導(dǎo)線傳送熱電偶信號(hào)，同時(shí)對不同分度號(hào)的熱電偶其采用的補(bǔ)償導(dǎo)線也不同。常用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線列于表8-3。 使用補(bǔ)償導(dǎo)線必須注意以下幾個(gè)問題。（1）兩根補(bǔ)償導(dǎo)線與兩個(gè)熱電極的結(jié)點(diǎn)必須具有相同的溫度。（2）只能與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶配用，而且必須滿足工作范圍。（3）極性切勿接反。（三）熱電偶的溫度補(bǔ)償（三）熱電偶的溫度補(bǔ)償 1

16、冷端恒溫法冷端恒溫法（1）0恒溫法 在實(shí)驗(yàn)室及精密測量中，通常把參考端放入裝滿冰水混合物的容器中，以便參考端溫度保持0，這種方法又稱冰浴法。（2）其他恒溫法 將熱電偶的冷端置于各種恒溫器內(nèi)，使之保持恒定溫度，避免由于環(huán)境溫度的波動(dòng)而引入誤差。 2計(jì)算修正法計(jì)算修正法上述兩種方法解決了一個(gè)問題，即設(shè)法使熱電偶的冷端溫度恒定。但是，冷端溫度并非一定為0，所以測出的熱電勢還是不能正確反映熱端的實(shí)際溫度。為此，必須對溫度進(jìn)行修正。修正公式如下EAB(t，t0)= EAB(t，t1)+ EAB(t1，t0) 例8.3 用鎳鉻-鎳硅熱電偶測某一水池內(nèi)水的溫度，測出的熱電動(dòng)勢為2.436mV。再用溫度計(jì)測出

17、環(huán)境溫度為30（且恒定），求池水的真實(shí)溫度。 解：由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出 E(30，0)= 1.203mV 所以E(T，0)= E(T，30)+E(30，0) =2.436mV+1.203mV=3.639mV 查分度表知其對應(yīng)的實(shí)際溫度為T=88，即池水的真實(shí)溫度是88。 3電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法 計(jì)算修正法雖然很精確，但不適合連續(xù)測溫，為此，有些儀表的測溫線路中帶有補(bǔ)償電橋，利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度波動(dòng)引起的熱電勢的變化。如圖8-14所示。 4顯示儀表零位調(diào)整法顯示儀表零位調(diào)整法 當(dāng)熱電偶通過補(bǔ)償導(dǎo)線連接顯示儀表時(shí)，如果熱電偶冷端溫度已知且恒定時(shí)，可預(yù)先將有零位調(diào)整器

18、的顯示儀表的指針從刻度的初始值調(diào)至已知的冷端溫度值上，這時(shí)顯示儀表的示值即為被測量的實(shí)際值。 5軟件處理法軟件處理法項(xiàng)目實(shí)施項(xiàng)目實(shí)施 四、熱電偶測溫傳感器的安裝與測試四、熱電偶測溫傳感器的安裝與測試 通過學(xué)習(xí)本項(xiàng)目，進(jìn)一步了解熱電偶測量溫度的性能與應(yīng)用范圍。 本項(xiàng)目需用器件與單元：E型熱電偶、專用溫度源、數(shù)顯單元（主控臺(tái)電壓表）、直流穩(wěn)壓電源15V。如圖8-15所示(a) 專用溫度源 (b) E型熱電偶 (c) 主控臺(tái)圖8-15 項(xiàng)目需用器件與單元 實(shí)訓(xùn)步驟： 1.在溫度控制單元上選擇加熱和冷卻方式均為“內(nèi)控”方式，將K，E熱電偶插到溫度測量控制儀的插孔中，K型的自由端接到溫度控制單元標(biāo)有傳感

19、器字樣的插孔中（此時(shí)傳感器選擇類型為熱點(diǎn)偶類型）。 2.同時(shí)溫度源中“冷卻輸入”與主控箱中“冷卻開關(guān)”連接，同時(shí)“風(fēng)機(jī)電源”和主控箱中“+2-+24V”電源輸出連接（此時(shí)電源旋鈕打到最大值位置），同時(shí)打開溫度源開關(guān)。 3.從主控箱上將15V電壓，地接到溫度模塊上，并將R5，R6兩端短接同時(shí)接地，打開主控箱電源開關(guān)，將模塊上的Vo2與主控箱數(shù)顯表單元上的Vi相接。將Rw2旋至中間位置，調(diào)節(jié)Rw3使數(shù)顯表顯示為零。設(shè)定溫度測量控制儀上的溫度儀表控制溫度T=40。 4.去掉R5，R6接地線及連線，將E型熱電偶的自由端與溫度模塊的放大器R5，R6相接，同時(shí)E型熱電偶的藍(lán)色接線端子接地。觀察溫控儀表的溫

20、度值，當(dāng)溫度控制在40時(shí)，調(diào)節(jié)Rw2，對照分度表將Vo2輸出調(diào)至和分度表10倍數(shù)值相當(dāng)（分度表見后）。 5.調(diào)節(jié)溫度儀表的溫度值T=50，等溫度穩(wěn)定后對照分度表觀察數(shù)顯表的電壓值，若電壓值超過分度表的10倍數(shù)值時(shí)，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)Rw2，使Vo2輸出與分度表10倍數(shù)值相當(dāng)。 6.重新將溫度設(shè)定值設(shè)為T=40，等溫度穩(wěn)定后對照分度表觀察數(shù)顯表的電壓值，此時(shí)Vo2輸出值是否與10倍分度表值相當(dāng)，再次調(diào)節(jié)放大倍數(shù)Rw2，使其與分度表10倍數(shù)值接近。 7.重復(fù)步驟4，5以確定放大倍數(shù)為10倍關(guān)系。記錄當(dāng)T=50時(shí)數(shù)顯表的電壓值。重新設(shè)定溫度值為40+nt,建議t=5,n=17，每隔1n讀出數(shù)顯表輸出電壓值與溫度值，并記入表8-4中。項(xiàng)目拓展項(xiàng)目拓展 五、熱電偶傳感器的應(yīng)用五、熱電偶傳感器的應(yīng)用 1熱電偶測量爐溫 2由熱電偶放大器AD594構(gòu)成的熱電偶溫度計(jì) （1）AD594 AD594是美國Analog Devices公司生產(chǎn)的具有基準(zhǔn)點(diǎn)補(bǔ)償功能的熱電偶放大集成電路，適用于各種型號(hào)的熱電偶。 （2）工作原理 在圖8-16中，J型熱電偶的一對導(dǎo)線末端點(diǎn)作為熱電偶的連接點(diǎn)，它是AD594進(jìn)行補(bǔ)償?shù)慕狱c(diǎn)。此點(diǎn)必須與AD594保持