自动检测与转换技术中关于热电偶传感器的论文

系别：电气工程系

专业：电气自动化技术

班级：10213

学号：39

姓名：李会仙

热电偶传感器

目录

第一章：热电偶传感器的类型结构及应用

第二章：热电偶传感器的工作原理

第三章：热电偶传感器的基本定律

第四章：热电偶传感器的冷端温度补偿

第五章：热电偶传感器的应用

摘要：

温度用传感器有线绕电阻式、热敏电阻式、热电偶式三种主要类型。三种类型传感器各有优点，其应用场合也各有区别。绕线电阻式温度传感器的精度高，但响应特性差；热敏电阻式温度传感器灵敏度高，响应特性较好，但线性差，适应温度较低；热电偶式温度传感器的精度高，测量温度范围宽，但需要配合放大器和冷端处理器一起使用。今天主要向大家介绍一下热电偶传感器。

关键词:类型和结构 工作原理 测量转换电路 经典实例

正文：

第一章：类型和结构

热电偶传感器的种类和特点/热电偶传感器是一种自发电式传感器，测量时不需要外加电源，直接将被测量转换成电势输出。使用十分方便，常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。它的测温范围很广：－270℃～2500℃。

它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。

1．热电偶的结构分类：

（1）普通装配式热电偶：

一般由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等几部分组成。

（2）铠装式热电偶（缆式热电偶）：

此种热电偶是将热电极、绝缘材料连同保护管一起拉制成型，经焊接密封和装配等工艺制成的坚实的组合体。

2．热电偶的种类：

（1）标准型热电偶：它具有互换性好、统一的分度表、配套的显示仪表。

国际电工委员会在1975年推荐了七种标准型热电偶，表3-1是它们的基本特性。我国生产其中的前六种。

（2）非标准型热电偶：

铂铑系——性能稳定、适用于各种高温测量

铱铑系——热电动势与温度线性关系好，长期使用温度2000℃以下 钨铼系——可以使用到2800℃

第二章：热电偶工作原理

一、 热电效应（又称温差电效应）：热电偶传感器主要按照热

电效应来工作。将两种不同导体A和B连接起来，组成一

个闭合回路，即构成感温原件。如图当导体A和B的两个

节点1和2之间存在温差时两者之间长生电动势，因而在

回路中形成 一定1大小的电流，这种现象称为热电效应，

也叫温电效应。

图3-5 热电偶回路

二、几个概念：

1．热电偶：导体A、B组成的回路。

2．热电极：两种导体A、B。

3．热电势：闭合回路中的电势。

4．测量端（工作端、热端）：置于被测温度（t）中。

5．参考端（自由端、冷端）：置于恒定温度（t0）中。

三、热电势的组成：

由两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势两部分组成。

1．接触电动势：是两种不同材料的导体A、B接触时，由于导体的自由电子密度不同，电子在两个方向上扩散的速率不一样所造成的电位差。

2．温差电动势：导体A、B，其两端分别置于不同的温度t、t0时，在导体内部，有较大动能的热端自由电子

向冷端移动，从而在热端和冷端间产生的电位差。

第三章：热电偶的基本定律

一、均质导体定律：

如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电偶回路内的总热电动势均为零。

应用：由于两相同的热电极材料间无自由电子的扩散运动，总电动势为零。因此，可用于检查热电极成分是否相同。

二、中间导体定律：

在热电偶A、B回路中接入第三种导体C，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的电动势不变。

（3-1）

应用：在回路中接入各种仪表，不影响回路的电动势。

三、标准电极定律：

如果两种导体A、B分别与第三种导体C组成的热电偶的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶的热电动势也就已知。

（3-2）

应用：测得各种金属与纯铂组成的热电动势，则各种金属相互组成的热电偶的热电动势也可知了。

四、中间温度定律：

热电偶在两接点温度t、t0时的热电

动势等于该热电偶在接点温度为t、tn和t、0时的相应热电动势 的代数和。

应用：为补偿导线的使用提供了理论依据。

第四章：热电偶传感器的冷端温度补偿

（一）为什么要对热电偶进行冷端温度补偿？

用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足t0=0°C的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0°C，而且也不恒定，因此将产生误差。为此必须采用一些措施进行补偿或者修正。

（二）热电偶冷端补偿方法：

1．0℃恒温法：

将热电偶冷端置于0℃恒温容器中，从而保证冷端温度恒为0℃。这种方法精度较高，适用于实验室或精密测量中。

2．补偿导线法：

热电偶一般做得较短，约为350～2000mm。当测温仪表与测量点距离较远时，为节省热电偶的材料，通常使用补偿导线。

补偿导线：由两种不同性质的廉价金属材料制成，在0~150℃范围内与配接的热电偶具有一致的热电特性，起着延长热电偶冷端的作用。

（三）、计算修正法：

1、计算公式：Et=E(t)-E(t0)

2、计算修正公式：Eab(t,0)=Eab(t,t0)+Eab(t0,0)

假设热电偶冷端温度为恒温t0，被测温度为t，由于冷端温度t0不是0℃，需要对热电偶回路的测量电势值EAB(t,t0)加以修正。当工作端温度为t时，由分度表可查得EAB(t,0)与EAB(t0,0)。

根据中间温度定律：EAB(t,0) =EAB(t,t0)+EAB(t0,0)

当热电偶输出热电势E(t,t0)时，利用冷端温度对应热电势E(t0,0)修正后，就可以根据分度表得到被测温度t了。

例题：用镍铬-镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度t0=30℃，测得热电势EAB（t，t0）为33.29mV，求加热炉的温度？

解：先由镍铬-镍硅热电偶分度表查得EAB（30，0）1.203mV。根据中间温度定律可得：EAB（t，0）=EAB(t，t0)+EAB(t0，0)=33.29+1.203=34.493mV

再查镍铬-镍硅热电偶分度表得t=829.8℃。

（四）电桥补偿法：

电桥补偿法可以在冷端温度无法恒定时对热电偶进行冷端补偿。 补偿电桥（冷端补偿器）的作用：在冷端温度变化时，提供一个与热电偶冷端变化引起的热电势变化大小相等，但极性相反补偿电势，使得测量电路输出热电势不随冷端温度变化。

（五）仪表机械零点调整法：

显示仪表的机械零位预先调整到已知的冷端温度值上。如补偿器是按t0=20℃时电桥平衡设计的，则仪表机械零位应调整到20℃处。

第四章：经典实例

一、做热电偶温度变送器

由基准源、冷端补偿、放大单元、线性化处理、V/I转换、断偶处理、反接保护、限流保护等电路单元组成。它是将热电偶产生的热电势经冷端补偿放大后，再帽由线性电路消除热电势与温度的非线性误差，最后放大转换为4～20mA电流输出信号。为防止热电偶测量中由于电偶断丝而使控温失效造成事故，变送器中还设有断电保护电路。当热电偶断丝或接解不良时，变送器会输出最大值（28mA）以使仪表切断电源。

1、温度变送器原理

温度变送器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。主要用于工业过程温度参数的测量和控制。 带传感器的变送器通常由两部分组成：传感器和信号转换器。传感器主要是热电偶或热电阻；信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成（由于工业用热电阻和热电偶分度表是标准化的，因此信号转换器作为独立产品时也称为变送器），有些变送器增加了显示单元，有些还具有现场总线功能。如右图：温度变送器原理图变送器如果由两个用来测量温差的传感器组成，输出信号与温差之间有一给定的连续函数关系。故称为温度变送器。 变送器输出信号与温度变量之间有一给定的连续函数关系（通常为线性函数），早期生产的变送器其输出信号与温度传感器的电阻值（或电压值）之间呈线性函数关系。 标准化输出信号主要为0mA~10mA和4mA~20mA（或1V~5V）的直流电信号。不排除具有特殊规定的其他标准化输出信号。 温度变送器按供电接线方式可分为两线制和四线制。 变送器有电动单元组合仪表系列的（DDZ-Ⅱ型、DDZ-Ⅲ型和DDZ-S型）和小型化模块式的，多功能智能型的。前者均不带传感器，后两类变送器可以方便的与热电走或热电阻组成带传感器的变送器。

2、技术数据

（1）输入信号：

热电偶：k、e、j、b、s、t、n。热电阻：pt100、cu50、cu100三线制、四线制。智能型温度变送器的输入信号可通过手持器和pc机任意设置；

（2）输出信号：

在量程范围内输出4－20ma直流信号，与热电偶或热电阻的输入信号成线性或与温度成线性。智能型温度变送器输出4－20ma直流信号同时叠加符合hart标准协议通信；隔离式温度变送器：输入与输出相隔

离，隔离电压500v，增加了抗共模干扰能力，更适合与计算机连网使用；

（3）基本误差：

0.5%fs、0.2%fs、智能型0.2%fs；

（4）接线方式：

二线制、三线制、四线制；

（5）显示方式：

四位lcd显示现场温度，智能型四位lcd可通过pc机或手持 器设定使之显示现场温度、传感器值、输出电流和百分比例中的任一种参数；

（6）工作电压：

普通型号12v-35v，智能型12v-45v，额定工作电压为24v

（7）允许负载电阻：

500ω(24vdc供电)；极限负载电阻r(max)=50vmin-12,例如在额定工作电压24v时，负载电阻可在0-600ω范围内选择使用。

（8）工作环境：

a:环境温度-25-+80℃(常规型) -25-+70℃(数显型) -25-+75℃(智能型) b:相对湿度：5%-95% c:机械振动f≤50hz, 振幅≤0.15mm d:无腐蚀气体或类似的环境； 9、 环境影响系数：δ≤0.05%/℃。

3、主要特点

结构简单：无任何可动或弹性元件，因此呆靠性极高，维护量极少。 安装方便：内装式结构尤其显示出这一特点，无需任何专用工具。 调整方便：零位、量程两个电位器可在液位检测有效范围内任意进行零点迁移或量程的改变，两个调整互不影响。 用途广泛；适用于高温高压、强腐蚀等介质的液位测量。 主要技术指标 有效检测范围：0-0.2-20m 精 度：0.5级、1级、1.5级 承压范围：负压、常压、高压(32MPa以下) 工作温度：-50～240℃ 环境温度：-20～75℃ 适用介质：酸、碱、盐或对聚四氟乙烯无腐蚀的任意介质 输出信号：4-20mA、二线制 供电电源：负载电阻 0-750Ω DC24V 固定方式：螺纹安装M20×1.5、M27×2 法兰安装DN15、DN25、DN50、DN80。