1、項目項目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目描述項目描述 本項目安裝并測試一臺熱電偶測溫傳感器。 把溫度變化轉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，構造簡單，使用方便，在工業測溫中得到了廣泛應用。 知識和能力目標； 掌握熱電效應概念及熱電偶基本定律。 熟悉熱電偶傳感器的基本結構、類型及常用熱電偶。 能正確熟練查找熱電偶分度表。 熟悉電偶補償導線的作用，掌握熱電偶冷端補償方法。知識準備知識準備 一、熟悉熱電效應一、熟悉熱電效應 （一）熱電效應及基本概念（一）熱電效應及基本概念 1熱電效應 將兩種不同成分的導體組成一個閉合回路，如圖8-1所示，

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

3、溫度場T、T0中，在導體內部，熱端自由電子具有較大的動能，向冷端移動，從而使熱端失去電子帶正電荷，冷端得到電子帶負電荷。 4熱電偶的電勢熱電偶的電勢 設導體A、B組成熱電偶的兩結點溫度分別為T和T0，熱電偶回路所產生的總電動勢包括接觸電動勢 、 ；溫差電動勢 、 一般地，在熱電偶回路中接觸電動勢遠遠大于溫差電動勢，所以溫差電動勢可以忽略不計，上式可改寫成 （5-4） 綜上所述，可以得出以下結論: （1）如果熱電偶兩材料相同，則無論結點處的溫度如何，總電勢為0; （2）如果兩結點處的溫度相同，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點的溫度有關，而與熱電偶的形狀尺寸無關，當熱電偶兩電極材料固定后，熱電勢便是兩結點電勢差; （4）如果使冷端溫度0保持不變，則熱電動勢便成為熱端溫度的單一函數。用實驗方法求取這個函數關系。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勢，并將所測得的結果列成表格（稱為熱電偶分度表，見附錄），供使用時查閱。 （二）熱電偶基本定律（二）熱電偶基本定律 1均質導體定律均質導體定律 由一種均質導體組成的閉合回路中，不論導體的

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體組戒，民熱電偶的熱電動勢僅與兩接點的溫度有關，而與洽熱電極的撇度分布無關。 2中間導體定律中間導體定律 在熱電偶中接入第3種均質導體，只要第3種導體的兩結點溫度相同，則熱電偶的熱電勢不變。 熱電偶的這種性質在實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節器，也可以將熱電偶的兩端不焊接而直接插入液態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種導體，只要保證插入導體的兩結點溫度相同，且是均質導體，則熱電偶的熱電勢仍不變。 3標準電極定律（參考電

6、極定律）標準電極定律（參考電極定律） 如圖8-4所示，已知熱電極A、B分別與標準電極C組成熱電偶在結點溫度為（T，T0）時的熱電動勢分別為和，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。只要獲得有關熱電極與參考電極配對的熱電動勢，那么任何兩種熱電極配對時的熱電動勢均可利用該定律計算，而不需要逐個進行測定。 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勢。 解：由標準電極定律可知，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 熱電偶在兩結點溫度分別為T、T0時的熱電勢等于該熱電偶在結點溫度為T、Tn和Tn、T0相應熱電勢的代數和，即 中間溫度定律為在工業測量溫度中使用補償導線提供了理論基礎。:只要遠配與熱電偶熱電特性相同的補償導線，便可使熱電偶的參考端延長，使之遠離熱源到達一個溫度相對穩定的地方而不會影響測溫的準確性。 該定律是參考端溫度計算修正法的理論依據，其等效示意圖如圖8-5所示。AB0ABAB

8、0( ,)( ,)(,)nnET TET TET T 在實際熱電偶測溫回路中，利用熱電偶這一性質，可對參考端溫度不為0的熱電勢進行修正。 例 5.2 鎳鉻-鎳硅熱電偶，工作時其自由端溫度為30，測得熱電勢為39.17mV，求被測介質的實際溫度。 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，即被測介質的實際溫度。二、認識熱電偶基本結構二、認識熱電偶基本結構 （一）熱電偶基本結構類型（一）熱電偶基本結構類

9、型 1普通型熱電偶普通型熱電偶 普通型結構熱電偶工業上使用最多，它一般由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒組成，其結構如圖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拉伸加工而成的堅實組合體，如圖5-8所示。它可以做得很細很長，使用中隨需要能任意彎曲。鎧裝型熱電偶的主要優點是測溫端熱容量小，動態響應快，機械強度高，撓性好，可安裝在結構復雜的裝置上，因此被廣泛用在許多工業部門中。 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薄（厚度可達0.010

10、.1m），因而熱慣性小，反應快，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系;（2）能在較寬的溫度范圍內應用，并且在長時間工作后，不會發生明顯的化學及物理性能的變化;（3）電阻溫度系數小，電導率高;（4）易于復制，工藝性與互換性好，便于制定統一的分度表，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）有機絕緣材料：這類材料具有良好的電氣性能、物理及化學性能，以及工藝性，但耐高溫、高頻和穩定性較差。 （2）無機絕緣材料：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、四孔及其他特殊規格。其材料有陶瓷、石英、氧化鋁和氧化鎂等。 4保護管材料保護管材料 對保護材料的要求如下： （1）氣密性好，可有效地防止有害介質深入而腐蝕結點和熱電極； （2）應有足夠的強度及剛度，耐振、耐熱沖擊； （3）物理化學性

12、能穩定，在長時間工作中不至于介質、絕緣材料和熱電極互相作用，也不產生對熱電極有害的氣體； （4）導熱性能好，使結點與被測介質有良好的熱接觸。（三）常用熱電偶（三）常用熱電偶 目前工業上常用的有4種標準化熱電偶，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標準型熱電偶標準型熱電偶 從1988年1月1日起，我國熱電偶和熱電阻的生產全部按國際電工委員會（IEC）的標準，并指定S、B、E、K、R、J、T 7種標準化熱電偶為我國統一設計型熱電偶。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，我國沒有生產和

13、使用。 鉑銠10-鉑： 型號為WRP，分度號是S（舊的分度號是LB-3）。測溫范圍是01 600 鎳鉻-鎳硅： 型號為WRN，分度號是K（舊的分度號是EU-2）。測溫范圍是2001 300 鉑銠30-鉑銠6： 型號為WRR，分度號是B（舊的分度號是LL-2）。 鎳鉻-考銅： 型號為WRK，分度號是EA-2，測溫范圍是0800， 2非標準型熱電偶非標準型熱電偶 （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熱電偶安裝注意事項 熱電偶主要用于工業生產中集中顯示、記錄和控制用的溫度檢測。在現場安裝時要注意以下問題： (1)插人深度

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

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

16、冷端恒溫法冷端恒溫法（1）0恒溫法 在實驗室及精密測量中，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，使之保持恒定溫度，避免由于環境溫度的波動而引入誤差。 2計算修正法計算修正法上述兩種方法解決了一個問題，即設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際溫度。為此，必須對溫度進行修正。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水的溫度，測出的熱電動勢為2.436mV。再用溫度計測出

17、環境溫度為30（且恒定），求池水的真實溫度。 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 查分度表知其對應的實際溫度為T=88，即池水的真實溫度是88。 3電橋補償法電橋補償法 計算修正法雖然很精確，但不適合連續測溫，為此，有些儀表的測溫線路中帶有補償電橋，利用不平衡電橋產生的電勢補償熱電偶因冷端溫度波動引起的熱電勢的變化。如圖8-14所示。 4顯示儀表零位調整法顯示儀表零位調整法 當熱電偶通過補償導線連接顯示儀表時，如果熱電偶冷端溫度已知且恒定時，可預先將有零位調整器

18、的顯示儀表的指針從刻度的初始值調至已知的冷端溫度值上，這時顯示儀表的示值即為被測量的實際值。 5軟件處理法軟件處理法項目實施項目實施 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 通過學習本項目，進一步了解熱電偶測量溫度的性能與應用范圍。 本項目需用器件與單元：E型熱電偶、專用溫度源、數顯單元（主控臺電壓表）、直流穩壓電源15V。如圖8-15所示(a) 專用溫度源 (b) E型熱電偶 (c) 主控臺圖8-15 項目需用器件與單元 實訓步驟： 1.在溫度控制單元上選擇加熱和冷卻方式均為“內控”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有傳感

19、器字樣的插孔中（此時傳感器選擇類型為熱點偶類型）。 2.同時溫度源中“冷卻輸入”與主控箱中“冷卻開關”連接，同時“風機電源”和主控箱中“+2-+24V”電源輸出連接（此時電源旋鈕打到最大值位置），同時打開溫度源開關。 3.從主控箱上將15V電壓，地接到溫度模塊上，并將R5，R6兩端短接同時接地，打開主控箱電源開關，將模塊上的Vo2與主控箱數顯表單元上的Vi相接。將Rw2旋至中間位置，調節Rw3使數顯表顯示為零。設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E型熱電偶的藍色接線端子接地。觀察溫控儀表的溫

20、度值，當溫度控制在40時，調節Rw2，對照分度表將Vo2輸出調至和分度表10倍數值相當（分度表見后）。 5.調節溫度儀表的溫度值T=50，等溫度穩定后對照分度表觀察數顯表的電壓值，若電壓值超過分度表的10倍數值時，調節放大倍數Rw2，使Vo2輸出與分度表10倍數值相當。 6.重新將溫度設定值設為T=40，等溫度穩定后對照分度表觀察數顯表的電壓值，此時Vo2輸出值是否與10倍分度表值相當，再次調節放大倍數Rw2，使其與分度表10倍數值接近。 7.重復步驟4，5以確定放大倍數為10倍關系。記錄當T=50時數顯表的電壓值。重新設定溫度值為40+nt,建議t=5,n=17，每隔1n讀出數顯表輸出電壓值與溫度值，并記入表8-4中。項目拓展項目拓展 五、熱電偶傳感器的應用五、熱電偶傳感器的應用 1熱電偶測量爐溫 2由熱電偶放大器AD594構成的熱電偶溫度計 （1）AD594 AD594是美國Analog Devices公司生產的具有基準點補償功能的熱電偶放大集成電路，適用于各種型號的熱電偶。 （2）工作原理 在圖8-16中，J型熱電偶的一對導線末端點作為熱電偶的連接點，它是AD594進行補償的接點。此點必須與AD594保持