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热电偶温度传感器

南昌航空大学

课程论文

题目热电偶温度传感器

姓名学号1508408520316

姓名学号1508208520322

姓名学号1508081520330

专业年级15级仪器仪表工程

2015年12月8日

1热电偶温度传感器的技术参数1

1.1热电偶、热电阻分度号1

2热电偶温度传感器的工作原理1

2.1温度传感器热电阻测温原理及材料2

2.2.温度传感器热电阻的结构2

3热电偶温度传感器的基础指标2

3.1接触热电动势2

3.2温差电动势3

3.3热电偶回路总电动势3

4热电偶温度传感器的设计指标3

5热电偶温度传感器的静态指标及动态指标4

5.1静态指标4

5.2动态指标5

6热电偶温度传感器的静态及动态测试方法6

6.1静态测试方法6

6.2动态测试方法7

7热电偶温度传感器的安全性及可靠性分析7

7.1误差来源分析7

7.2补偿方法研究8

参考文献9

热电偶温度传感器

摘要

热电偶是将温度变化量转换为热电势大小的热电传感器，是一种广泛应用的间接测量温度的方法，即利用一些材料或元件的性能参数随温度而变化通过测量该性能参数，而得到被测温度的大小本文中主要介绍利用热电偶传感器测温的原理及系统设计。

在论述测温的同时，针对不足,提出了一种基于数值计算软件化测温方法，并给出了实现这种测温的4个步骤，给出了相关电路、拟合关系式和计算方法。

为了是测温精度更高，在此分析了误差优化方法，探讨了误差时间常数分析、非线性补偿法及冷端温度补偿技术。

【关键词】热电偶、软件化、时间常数、非线性补偿、冷端温度补偿

Thermocoupletemperaturesensor

Abstract

Thermocoupleistoconverttemperaturevariationtothesizeofthermoelectricpotentialthermoelectricsensors,isawidelyusedmethodofindirectlymeasuringtemperature,itisusingsomeofthematerialorcomponentperformanceparameterswiththetemperaturechangesbymeasuringtheperformanceparameters,andthesizeofthemeasuredtemperatureinthisarticlemainlyintroducestheuseoftheprincipleofthermocoupletemperaturesensorandsystemdesign.Inthispaperthetemperatureatthesametime,inviewoftheshortage,putforwardakindofbasedonnumericalcalculationsoftwaretemperaturemeasuringmethod,andgivesthefourstepsofimplementingthetemperaturemeasurement,givestherelevantcircuit,fittingequationandcalculationmethod.Tobehighertemperaturemeasurementprecision,optimizationmethodintheanalysisoftheerror,timeconstanterroranalysis,thenonlinearcompensationmethodisdiscussedandthecoldendtemperaturecompensationtechnology.

【Keywords】Thermocouple,software,timeconstant,nonlinearcompensation,thecoldendtemperaturecompensation

1热电偶温度传感器的技术参数

1.1热电偶、热电阻分度号

目前,国内生厂的热电偶、热电阻产品的分度多采国际标准,即热电偶按照IEC2584标准生产,热电阻按照IEC2751标准生产,实现了与国际标准的接轨。

今将各国热电偶、热电阻分度号列表如下,供读者参考,见表1.1。

名称

分度号

国别

国际IEC

中国

日本

德国

前苏联

美国

新

旧

新

旧

英国

铂铑

—铂

LB-3

PtRh-Pt

铂铑

—铂铑

LL-2

PtRh2Pt

铂铑

—铂

镍铬—镍硅

EU-2

镍铬—铜镍

EA-2

CRC

NiCr2Ni

铜—铜镍

CK-2

铁—铜镍

Cu2Konst

镍铬硅—镍硅

Fe2Konst

铂电阻Pt100

Pt100

BA1-46

BA2-100

Pt100

JPt100

铜电阻Cu50

Cu50

G53

Cu50

表1.1各国热电偶、热电阻分度号列表

2热电偶温度传感器的工作原理

将两种不同的金属导体焊接在一起，构成闭合回路，如在焊接端（即测量端）加热产生温差，则在回路中就会产生热电动势，此种现象称为塞贝克效应（Seebeck-effect）。

如将另一端（即参考端）温度保持一定（一般为0℃），那么回路的热电动势则变成测量端温度的单值函数。

这种以测量热电动势的方法来测量温度的元件，即两种成对的金属导体，称为热电偶。

热电偶产生的热电动势，其大小仅与热电极材料及两端温差有关，与热电极长度、直

径无关。

图2.1热电偶工作原理

2.1温度传感器热电阻测温原理及材料

温度传感器热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。

温度传感器热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造温度传感器热电阻。

2.2.温度传感器热电阻的结构

精通型温度传感器热电阻工业常用温度传感器热电阻感温元件（电阻体）的结构及特点见表2-1-11。

从温度传感器热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过温度传感器热电阻阻值的变化来测量的，因此，温度传感器热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。

为消除引线电阻的影响同般采用三线制或四线制。

铠装温度传感器热电阻铠装温度传感器热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，如图2-1-7所示，它的外径一般为φ2~φ8mm，最小可达φmm。

与普通型温度传感器热电阻相比，它有下列优点：

①体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；②机械性能好、耐振，抗冲击；③能弯曲，便于安装④使用寿命长。

端面温度传感器热电阻端面温度传感器热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面，其结构如图2-1-8所示。

它与一般轴向温度传感器热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。

隔爆型温度传感器热电阻隔爆型温度传感器热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引超爆炸。

隔爆型温度传感器热电阻可用于Bla~B3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。

3热电偶温度传感器的基础指标

3.1接触热电动势

当两种电子密度不同的导体A与B接触时,接触面上就会发生电子扩散,电子从电子密度高的导体流向密度低的导体。

电子扩散的速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。

设导体A和B的自由电子密度为NA和NB,且NA>NB,电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电,导体B则获得电子而带负电,在接触面形成电场。

这个电场阻碍了电子的扩散,达到动平衡时,在接触区形成一个稳定的电位差,即接触电势,其大小为：

式中k———玻耳兹曼常数,k=1.38×10-23J/K;

e———电子电荷量,e=1.6×10-19C;

T———接触处的温度,

K;NA,NB———分别为导体A和B的自由电子密度。

3.2温差电动势

因导体两端温度不同而产生的电动势称为温差电势。

由于温度梯度的存在,改变了电子的能量分布,高温端（T）电子将向低温端（T0）扩散,致使高温端因失去电子带正电,低温端因获电子而带负电。

因而在同一导体两端也产生电位差,并阻止电子从高温端向低温端扩散,于是电子扩散形成动平衡,此时所建立的电位差称为温差电势,它与温度的关系为:

式中σ为汤姆逊系数,表示温差1℃所产生的电动势值,其大小与材料性质及两端的温度有关。

3.3热电偶回路总电动势

导体A和B组成的热电偶闭合电路在两个接点处有两个接触电势eAB（T）与eAB（T0）,又因为T>T0,在导体A和B中还各有一个温差电势。

所以闭合回路总热电动势EAB（T,T0）应为接触电动势和温差电势的代数和,即:

对于已选定的热电偶,当参考温度恒定时,总热电动势就变成测量端温度T的单值函数,即:

4热电偶温度传感器的设计指标

本系统使用镍铬—镍硅热电偶，被测温度范围为0～655℃，冷端补偿采用补偿电桥法，采用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。

不平衡电桥由电阻R1、R2、R3（锰铜丝绕制）、Rcu（铜丝绕制）四桥臂和桥路稳压源组成，串联在热电偶回路中。

Rcu与热电偶冷端同处于±0℃,而R1=R2=R3=1Ω，桥路电源电压为4V，由稳压电源供电，Rs为限流电阻，其阻值因热电偶不同而不同，电桥通常取在20℃时平衡，这时电桥的四个桥臂电阻R1=R2=R3=Rcu，a、b端无输出。

当冷端温度偏离20℃时，例如升高时，Rcu增大，而热电偶的热电势却随着冷端温度的升高而减小。

Uab与热电势减小量相等，Uab与热电势迭加后输出电势则保持不变，从而达到了冷端。

实际电路中，从热电偶输出的信号最多不过几十毫伏（<30mV），且其中包含工频、静电和磁偶合等共模干扰，对这种电路放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，因此宜采用测量放大电路。

测量放大器又称数据放大器、仪表放大器和桥路放大器，它的输入阻抗高，易于与各种信号源匹配，而它的输入失调电压和输入失调电流及输入偏置电流小，并且温漂较小。

由于时间温漂小，因而测量放大器的稳定性好。

由三运放组成测量放大器，差动输入端R1和R2分别接到A1和A2的同相端。

输入阻抗很高，采用对称电路结构，而且被测信号直接加到输入端，从而保证了较强的抑制共模信号的能力。

A3实际上是一差动跟随器，其增益近似为1。

测量放大器的放大倍数为：

AV=V0/（V2-V1），AV=RF/R（1+（Rf1+Rf2）/RW）。

在此电路中，只要运放A1和A2性能对称（主要指输入阻抗和电压增益），其漂移将大大减小，具有高输入阻抗和共模抑制比，对微小的差模电压很敏感，适宜于测量远距离传输过来的信号，因而十分易于与微小输出的传感器配合使用。

RW是用来调整放大倍数的外接电阻，在此用多圈电位器。

实际电路中A1、A2采用低漂移高精度运放OP-07芯片，其输入失调电压温漂αVIOS和输入失调电流温漂αIIOS都很小，OP-07采用超高工艺和“齐纳微调”技术，使其VIOS、IIOS、αVIOS和αIIOS都很小，广泛应用于稳定积分、精密加法、比校检波和微弱信号的精密放大等。

OP-07要求双电源供电，使用温度范围0～70℃，一般不需调零，如果需要调零可采用RW进行调整。

A3采用741芯片，它要求双电源供电，供电范围为±（3～18）V，典型供电为±15V，一般应大于或等于±5V，其内部含有补偿电容，不需外接补偿电容。

经过测量放大器放大后的电压信号，其电压范围为0～5V，此信号为模拟信号，计算机无法接受，故必须进行A/D转换。

实际电路中，选用ICL7109芯片。

ICL7109是一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分型12位A/D转换器。

由于目前12位逐次逼近式A/D转换器价格较高，因此在要求速度不太高的场合，如用于称重测压力、测温度等各种传感器信号的高精度测量系统中时，可采用廉价的双积分式12位A/D转换器ICL7109。

ICL7109主要有如下特性：

（1）高精度（精确到1/212=1/4096）；

（2）低噪声（典型值为15μVP-P）；（3）低漂移（<1μV/℃）；（4）高输入阻抗（典型值1012Ω）；（5）低功耗（<20mW）；（6）转换速度最快达30次/秒，当采用3.58MHz晶振作振源时，速度为7.5次/秒；（7）片内带有振荡器，外部可接晶振或RC电路以组成不同频率的时钟电路；（8）12位二进制输出，同时还有一位极性位和一位溢出位输出；（9）输出与TTL兼容，以字节方式（分高低字节）三态输出，并且具有VART挂钩方式，可以用简单的并行或串行口接到微处理系统；（10）可用RVNHOLD（运行/保持）和STATUS（状态）信号监视和控制转换定时；（11）所有输入端都有抗静电保护电路。

5热电偶温度传感器的静态指标及动态指标

5.1静态指标

由于离子镀膜时NiCr与NiSi的成分不同于块状材料，导致薄膜热电偶与丝式热电偶的热电特性不同，因此在使用NiC洲iSi薄膜热电偶之前需要对其进行静态标定。

在用离子镀方法沉积薄膜热电偶的同时，在两根长500film，直径为25mm的石英玻璃管上分别同炉镀制NiCr／NiSi薄膜热电偶用作静态标定。

为了尽量与实际使用情况相同，标定时薄膜热电偶的冷端也是用相同的NiCr／NiSi丝引至冰点器，使其温度恒为0℃。

标定是采用比较法完成的。

根据使用温度范围不同，分别在HWS—I型标准水槽（0～100℃）、HWY．Ⅱ型标准油槽（100"--300℃）、YG一3型卧式热电偶检定炉（300～600℃）对薄膜热电偶进行标定。

在水槽和油槽中标定时，薄膜热电偶输出是与二等标准铂电阻的输出进行比较的；而在检定炉标定时，薄膜热电偶输出是与二等标准S型热电偶的输出进行比较的。

从50℃开始每隔50℃标定一个点，一直标定到要求的最大值600℃，其结果如表2和图5.1所示。

表5.1薄膜热电偶输出热电势E与热端温度

之间的关系

图5.1薄膜热电偶静态标定曲线

5.2动态指标

NiC烈iSi薄膜热电偶镀制于沉积有绝缘膜的高速钢基体表面上，因基体厚度相对于薄膜厚度来说非常大，故可视为半无限大物体，且处于一维非稳态导热过程。

并假定材料物理性能不随温度变化，因为传感器使用温度上限远低于薄膜及基体的熔化温度。

设热量沿X方向（即垂直膜面向基体内部方向）传播，薄膜热电偶膜层内温度分布函数为

，基体内温度分布函数为

，则薄膜热电偶的导热微分方程为

起始条件为

边界条件为

基体的导热微分方程为

起始条件为

边界条件为

当薄膜表面产生一温度阶跃时，即

，

为稳态温度，

为一温度常数，由式

（1）及式

（2）的共同起始条件及边界条件求得式

（1）的特解为

式（5）中的系数K由式（4）确定。

式（5）即为表面温度产生一阶跃时，薄膜热电偶所测温度随时间的变化关系。

令式（5）左端等于0．368，并将各参数代入即可求出时间常数

约为8.1us。

6热电偶温度传感器的静态及动态测试方法

6.1静态测试方法

静态标定又称为分度，是确定热电动势与温度对应关系的方法，一般有纯金属定点法、比较法、黑体空腔法等几种。

纯金属定点法是利用纯金属相变过程中的平衡点进行分度的方法，这些平衡点在国际温标中规定了统一的温度数值。

比较法是将高级别标准热电偶和待检热电偶一起放置于均匀温度场中并进行比较的分度方法。

该方法具有设备简单易操作，测量电势值，计算简单、结果直观，一次可分度多只传感器，标准器和被检传感器种类可以不同等优点。

比较法是目前最常用的标定方法。

黑体空腔法，是在卧式电阻炉最高温区的均匀温场内放置一个黑体空腔，空腔一端安放被检热电偶，另一端为标准光学高温计的测量窗口，使电阻炉恒定某一温度点，用标准光学高温计测量黑体空腔底部的高亮温度，同时测出被检热电偶的热电动势，黑体空腔法常用于高温热电偶的分度，分度时可以采取任意分度点，但是分度的准确度受黑体空腔的发射率和标准光学高温计准确度的影响，计算方法比较复杂。

恒温槽中分度属于比较法的一种，不同的是该方法可将待检热电偶放在恒温槽中与标准仪器比较。

例如，0~300℃时，一般用标准水银温度计进行比较。

成套分度是将被检热电偶与显示仪表配套连接，作为一个整体进行分度，该方法可以确定热电偶测量系统的综合误差。

6.2动态测试方法

对接触式温度传感器的动态响应时间进行测试，其整个测试系统包括一套机械装置、热电偶、控制系统、接口电路及应用LabVIEW平台编制的配套软件。

其中，控制系统则包括自带控制器的tRIONI一9074及其配套数据采集卡NI一9223、数字I／O卡NI一9403。

通过数字I／O卡控制电磁阀来控制系统机械装置，使其触发，数据采集卡实时对温度传感器的输出进行采集，采集到的测试数据经过应用软件计算得出时间常数并显示和储存。

测试系统的结构如图6.1所示。

图6.1动态响应测试系统结构示意图

7热电偶温度传感器的安全性及可靠性分析

7.1误差来源分析

（1）已定系统误差：

薄膜热电偶材料不均引起的测温误差；

（2）传递误差：

用比较法标定热电偶时，标准器也会存在一定的误差；

（3）热电偶分度引起的温度误差：

曲线拟合产生的非线性误差；

（4）补偿导线引起的测温误差：

中间温度或中间导体带来的误差；

包括两个部分：

一是由于补偿导线与热电偶冷端温度不一致引起的；二是由于补偿导线与热电偶热电特性不同引起的。

由于尺寸效应，第二部分比较大。

根据误差分析与处理理论，系统误差按照代数和法合成，未定系统误差及随机误差均按方根法合成。

7.2补偿方法研究

热电偶电势与电极材料及接点温度有关。

分度时一般都以0℃为参考温度。

实际测温很难长时间保持该参考温度，必须采取修正或补偿措施。

主要方法有：

（1）冰点器法。

用清洁的水制成的冰屑和清洁的水相混合放在保温瓶中，使水面略低于冰屑面，实现的冰点平衡温度可以认为是0℃。

（2）热电动势补正法。

根据中间温度定律，测得热电动势EAB（T,TnT0）加上EAB（Tn,T0）就可得所需的电势EAB（T,Tn,T0）。

EAB（Tn,T0）的值可在分度表直接查出，或由实验获得。

此方法应用于测量热电偶输出为热电势的场合。

（3）温度修正法。

该方法针对于直读式温度仪表。

采用温度补正法所带来的误差大于热电势修正法。

（4）调仪表起始点法。

在仪表开路的情况下，先将仪表起始温度调至Tn，相当于实现给仪表EAB（Tn,T0）。

测温时，根据中间温度定律进行折算。

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