热电偶传感器.ppt

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1、第5章 热电偶传感器,在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，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。另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。,5.1 热电偶的工作原理与基本结构,5.1.1 热电偶的工作原理,5.1.1.1 工作原理 当有两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时（如图5.1.1），只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为T0 ，称为自由端（也称参考端

2、）或冷端，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为“热电效应”，两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热电动势”。 热电动势由两部分电动势组成，一部分是两种导体的接触电动势，另一部分是单一导体的温差电动势。,图5.1.1 热电偶回路,当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同(即电子密度不同)，因此，电子在两个方向上扩散的速率就不一样。现假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度，则导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数大。所以导体A失去电子带正电荷，

3、导体B得到电子带负电荷，于是，在A、B两导体的接触界面上便形成一个由A到B的电场。该电场的方向与扩散进行的方向相反，它将引起反方向的电子转移，阻碍扩散作用的,继续进行。当扩散作用与阻碍扩散作用相等时，即自导体A扩散到导体B的自由电子数与在电场作用下自导体B到导体A的自由电子数相等时，便处于一种动态平衡状态。在这种状态下，A与B两导体的接触处就产生了电位差，称为接触电动势。接触电动势的大小与导体的材料、接点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。对于温度分别为t和t0的两接点，可得下列接触电动势公式,(5-1-1),式中eAB(t,)、eAB(t0)为导体A、B在接点温度t和t0时形成的电

4、动势；UAt、UAt0分别为导体A在接点温度为t和t0时的电压；UBt、UBt0分别为导体B在接点温度为t和t0时的电压。 对于导体A或B，将其两端分别置于不同的温度场t、t0中(t t0)。在导体内部，热端的自由电子具有较大的动能，向冷端移动，从而使热端失去电子带正电荷，冷端得到电子带负电荷。这样，导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场。该电场阻止电子从热端继续跑到冷端并使电子反方向移动，最后也达到了动态平衡状态。这样，导体两端便产生了电位差，我们将该电位差称为温差电动势。温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度，如下式所示,(5-1-2),式中，eA(t,t0)、eB(t,t0)为

5、导体A和B在两端温度分别为t和t0时形成的电动势。 导体A和B头尾相接组成回路，如果导体A的电子密度大于导体B的电子密度，且两接点的温度不相等，则在热电偶回路中存在着四个电势，即两个接触电动势和两个温差电动势。热电偶回路的总电动势为,(5-1-3),实践证明，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势，温差电动势只占极小部分，可以忽略不计，故式(5-3)可以写成,(5-1-4),上式中，由于导体A的电子密度大于导体B的电子密度，所以A为正极，B为负极。脚注AB的顺序表示电动势的方向。不难理解：当改变脚注的顺序时，电动势前面的符号(指正、负号)也应随之改变。因此，式(5-4)也可以写成,综上所述，我

6、们可以得出如下结论： 热电偶回路中热电动势的大小，只与组成热电偶的导体材料和两接点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关。当热电偶两电极材料固定后，热电动势便是两接点温度t和t0。的函数差。即 如果使冷端温度t0保持不变，则热电动势便成为热端温度t的单一函数。即， (5-1-5),5.1.1.2 热电偶的特性 热电偶的主要特性如下： 稳定性 指热电偶的热电特性随使用时间变化小。 不均匀性 指热电极的不均匀程度，所引起的附加热电势的大小，取决于沿热电极长度的温度梯度分布状态、材料的不均匀形式和不均匀程度以及热电偶在温度场中所处的位置。不均匀性降低测温的准确度，影响热电偶的稳定性和互换性。造成不均匀

7、性的原因有杂质分布不均，成份偏析，局部表面金属的挥发和氧化，局部的腐蚀和沾污，应力分布不均匀和晶体结构不均匀等。 热惰性 指被测介质从某一温度跃迁到另一温度时，热电偶测量端的温度上升到整个跃迁的63.2%所需的时间。 5.1.2 热电偶的基本定律 5.1.2.1 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，热电动势为零。 根据这个定律，可以检验两个热电极材料成分是否相同(称为同名极检验法)，也可以检查热电极材料的均匀性。 5.1.2.2 中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。 如图5.1.2，在热电偶

8、回路中接人第三种导体C。设导体A与B接点处的温度为t，A与C、B与C两接点处的温度为t0，则回路中的总电动势为 (5-1-6),图5.1.2 热电偶中接入第三种导体,如果回路中三接点的温度相同，即tt0，则回路总电动势必为零，即 或者 (5-1-7) 将式(5-7)代人式(5-6)，可得 (5-1-8),可以用同样的方法证明，断开热电偶的任何一个极，用第三种导体引入测量仪表，其总电动势也是不变的。 热电偶的这种性质在实用上有着重要的意义，它使我们可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器，也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。 5.1.2.3

9、标准电极定律 如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知。 如图5-3，导体A、B分别与标准电极C组成热电偶，若它们所产生的热电动势为已知，即 那么，导体A与B组成的热电偶，其热电动势可由下式求得 (5-1-9),图5.1.3 三种导体组成的热电偶,标准电极定律是一个极为实用的定律。可以想象，纯金属的种类很多，而合金类型更多。因此，要得出这些金属之间组合而成热电偶的热电动势，其工作量是极大的。由于铂的物理、化学性质稳定，熔点高，易提纯，所以，我们通常选用高纯铂丝作为标准电极，只要测得各种金属与纯铂组成的热电偶的热电动势，则各

10、种金属之间相互组合而成的热电偶的热电动势可根据式(5-9)直接计算出来。 例如：热端为100，冷端为0时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV，则镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生的热电动势应为 2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV 5.1.2.4 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tn、t0时的相应热电动势的代数和。 中间温度定律可以用下式表示 (5-1-10) 中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。它表明：若热电偶的热电极被导体延长，只要接入的导体组成热电偶的热电

11、特性与被延长的热电偶的热电特性相同，且它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与连接点温度无关，只与延长以后的热电偶两端的温度有关。,5.1.3 热电偶结构,5.1.3.1 普通工业装配式热电偶的结构 普通工业装配式热电偶作为测量温度的变送器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用。它可以直接测量各种生产过程中从0到1800范围的液体、蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等几个主要部分组成，其常见外形结构如图5.1.4所示。,图5.1.4 常见普通工业装配式热电偶的外形结构,(1)热电极 又称偶丝，它是热电偶的基本组成部分。普通金属做成的偶

12、丝，其直径一般为0.53.2mm，贵重金属做成的偶丝，直径一般为0.3-0.6mm。偶丝的长度则由使用情况、安装条件，特别是工作端在被测介质中插入的深度来决定，通常为3002000mm，常用的长度为350mm。,(2)绝缘管 又称绝缘子，是用于热电极之间及热电极与保护套管之间进行绝缘保护的零件。形状一般为圆形或椭圆形，中间开有二个、四个或六个孔。偶丝穿孔而过。材料为粘土质、高铝质、刚玉质等，材料选用视使用的热电偶而定。在室温下，绝缘管的绝缘电阻应在5M以上。 (3)保护套管 是用来保护热电偶感温元件免受被测介质化学腐蚀和机械损伤的装置。保护套管应具有耐高温、耐腐蚀的性能，要求导热性能好，气密性

13、好。其材料有金属、非金属以及金属陶瓷三大类。金属材料有铝、黄铜、碳钢、不锈钢等，其中lCrl8Ni9Ti不锈钢是目前热电偶保护套管使用的典型材料。非金属材料有高铝质(85%-90%A1203)、刚玉质(99Al2O3)，使用温度都在1300以上。金属陶瓷材料如氧化镁加金属钼，这种材料使用温度在1700，且在高温下有很好的抗氧化能力，适用于钢水温度的连续测量。形状一般为圆柱形。 (4)接线盒 是用来固定接线座和作为连接补偿导线的装置。根据被测量温度的对象及现场环境条件，设计有普通式、防溅式、防水式和接插座式等四种结构形式。普通式接线盒无盖，仅由盒体构成，其接线座用螺钉固定在盒体上，适用于环境条件

14、良好、无腐蚀性气体的现场。防溅式、防水式接线盒有盖，且盖与盒体是由密封圈压紧密封，适用于雨水能溅到的现场或露天设备现场。插座式接线盒结构简单、安装所占空间小，接线方便，适用于需要快速拆卸的环境。 5.1.3.2 铠装热电偶的结构 铠装热电偶具有能弯曲、耐高压、热响应时间快和坚固耐用等许多优点，它和工业用装配式热电偶一样，作为测量温度的变送器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用，同时亦可作为装配式热电偶的感温元件。它可以直接测量名种生产过程中从 0800范围内的液体、蒸汽和气体介质以及固体表面的温度。,铠装热电偶的结构原理是由导体、高绝缘氧化镁、外套 1Cr18Ni9Ti不锈钢保护管，

15、经多次一体拉制而成。铠装热电偶产品主要由接线盒、接线端子和铠装热电偶组成基本结构，并配以各种安装固定装置组成。铠装热电偶分绝缘式和接壳式两种。 (1)接壳式 热电偶的测量端与金属套管接触并焊接在一起。适用于测量温度高、压力高、腐蚀性较强的介质。 (2)绝缘式 热电偶的测量端焊接后填以绝缘材料再与金属套管焊接。适用范围同接壳式，特点是偶丝与保护金属套管不接触，具有电气绝缘性能。 (3)圆接插式 金属套管端头部分的直径为原直径的一半，故时间常数更小。 (4)扁接插式 分为接壳型和绝缘型两种，其时间常数最小，反应速度更快。,图5.1.5 常见铠装热电偶的外形结构,铠装热电偶冷端连接补偿导线的接线盒的

16、结构，根据不同的使用条件，有不同的式。如简易式、带补偿导线式、插座式等，这里不作详细介绍了，选用时可参考有关资料。 由于铠装热电偶具有寿命长、机械性能好、耐高压、可挠性等许多优点，因而深受欢迎。,5.2 常用热电偶及测温线路,5.2.1 热电偶材料,根据金属的热电效应原理，任意两种不同材料的导体都可以作为热电极组成热电偶，但在实际应用中，用作热电极的材料应具备如下几方面的条件： (1)温度测量范围广 要求在规定的温度测量范围内有较高的测量精确度，有较大的热电动势。温度与热电动势的关系是单值函数，最好是呈线性关系。 (2)性能稳定 要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳定，均匀性和复现性好。

17、 (3)物理化学性能好 要求在规定的温度测量范围内使用时不产生蒸发现象。有良好的化学稳定性、抗氧化性或抗还原性能。 满足上述条件的热电偶材料并不很多。目前我国大量生产和使用、性能符合专业标准或国家标准并具有统一分度表的热电偶材料称为定型热电偶材料，共有六个品种。它们分别是：铜-康铜、镍铬-考铜、镍铬-镍硅、镍铬-镍铝、铂铑10-铂及铂铑30-铂铑6。其中镍铬-考铜热电偶材料将逐渐地被淘汰。根据国际电工委员会(IEC)标准的规定，我国将发展镍铬-康铜、铁-康铜热电偶材料。此外，我国还生产一些未定型热电偶材料，如铂铑13-铂、铱、铑40-铱、钨铼5-钨铼26、等等。,5.2.2 热电偶种类,国际电

18、工委员会在1975年向世界各国推荐七种标准型热电偶。我国生产的符合IEC标准的热电偶有六种，分别是： (1)铂铑30-铂铑6热电偶 这种热电偶分度号为“B”。它的正极是铂铑丝(铂70%，铑30%)，负极也是铂铑丝(铂94%，铑6%)，故俗称双铂铑。测温范围为01700。其特点是测温上限高，分度值见表5-1所示 。在冶金反应、钢水测量等高温领域中得到了广泛的应用。 (2)铂铑10-铂热电偶 这种热电偶分度号为“S”。它的正极是铂铑丝(铂90%，铑l0%)，负极是纯铂丝。测温范围为01700。其特点是热电性能稳定，抗氧化性强，宜在氧化性、惰性气氛中工作。由于精度高，故国际温标中规定它为630.74

19、1064.43温度范围内复现温标的标准仪器。常用作标准热电偶或用于高温测量，分度值见表5-2所示。 (3)镍铬-镍硅热电偶 这种热电偶分度号为“K”。它的正极是镍铬合金(镍90.5%，铬9.5%)，负极为镍硅(镍97.5%，硅2.5%)。测温范围为-200+1300。其特点是测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大及价格低。缺点是热电动势的稳定性较B型或S型热电偶差，且负极有明显的导磁性，分度值见表5-3所示。 (4)镍铬-康铜热电偶 这种热电偶分度号为“E”。它的正极是镍铬合金，负极是铜镍合金(铜55%，镍45%)。测温范围为-200+1000。其特点是热电动势较其他常用热电偶大

20、。适宜在氧化性或惰性气氛中工作，分度值见表5-4所示。 (5)铁-康铜热电偶 这种热电偶分度号为“J”。它的正极是铁，负极是铜镍合金。测温范围为-200+1300。其特点是价格便宜，热电动势较大，仅次于E型热电偶。缺点是铁极易氧化，分度值见表5-5所示。,(6)铜-康铜热电偶 这种热电偶分度号为“T”。它的正极是铜，负极是铜镍合金。测温范围为-200+400。特点是精度高，在0-200范围内，可制成标准热电偶，准确度可达土0.1。缺点是铜极易氧化，故在氧化性气氛中使用时，一般不能超过300，分度值见表5-6所示。 最后要说明的是，IEC公布的标准型热电偶中，还有铂铑13-铂，分度号为“R”。因

21、在国际上只有少数国家采用，且其温度范围与铂铑10-铂重合，所以我国不准备发展这个品种。 5.2.2.2非标准型热电偶 非标准型热电偶包括铂铑系、铱铑系及钨铼系热电偶等。 铂铑系热电偶有铂铑20-铂铑5、铂铑40-铂铑20等一些种类，其共同的特点是性能稳定，适用于各种高温测量。铱铑系热电偶有铱铑40-铱、铱铑60-铱。这类热电偶长期使用的测温范围在2000以下，且热电动势与温度关系线性好。钨铼系热电偶有钨铼3-钨铼25、钨铼5-钨铼20等种类。它的最高使用温度受绝缘材料的限制，目前可使用到2500左右。主要用于钢水连续测温、反应堆测温等场合。 5.2.2.3 工业热电偶简介 (1）装配式热电偶

22、A、主要技术参数 测量范围：热电偶能准确测出温度的范围，即工作温度有效范围。 基本误差限：能允许的测温误差范围。 热电偶时间常数：也称热惰性，指被测介质从某一温度跃迁到另一温度时，热电偶测量端的温度上升到整个跃迁的63.2%所需的时间，见表5-7所示。 热电偶公称压力：一般是指在工作温度下保护管所能承受的静态外压而破裂。 热电偶最小插入深度：应不小于其保护套管外径的810倍（特殊产品例外）。,绝缘电阻：当周围空气温度为1535，相对湿度80%时绝缘电阻5兆欧（电压100V）。具有防溅式接线盒的热电偶，当相对温度为93 3 时，绝缘电阻0.5兆欧（电压100V）。高温下的绝缘电阻：热电偶在高温下

23、，其热电极（包括双支式）与保护管以及双支热电极之间的绝缘电阻（按每米计）应大于表5-8规定的值。 B、热电偶型号命名如图5.2.1所示。,图52.1 热电偶型号命名示例图,（2）铠装热电偶 铠装热电偶的工作原理是，两种不同成份的导体两端经焊接，形成回路，直接测温端叫工作端，接线端子端叫冷端，也称参比端。当工作端和参比端存在温差时，就会在回路中产生热电流，接上显示仪表，仪表上就会指示出热电偶所产生的热电动势的对应温度值。 铠装热电偶的热电动势将随着测量端温度升高而增长，热电动势的大小只和热电偶导体材质以及两端温差有关，和热电极的长度、直径无关。 铠装热电偶热响应时间：在温度出现阶跃变化时，热电偶

24、的输出变化至相当于该阶跃变化的50%所得的时间称为热响应时间，用0.5表示。绝缘电阻：当周围空气温度为 201.5，相对湿度不大于80%时，绝缘型铠装热电偶的偶丝与外套管之间的绝缘电阻值应符合表5-9的规定。,可挠度：铠装热电偶的可挠曲率半径不小于其外径的5倍。 （3）耐磨热电偶 在某些特殊场合，如化工厂、冶炼厂、发电厂、水泥厂等，用普通热电偶、热电阻就极易损坏。因此，在这些场合就必须采用耐磨热电偶。该热电偶特别适用硫化床、磨煤机出口，一次，二次风煤及水泥行业测温。特征：耐磨，同时耐冲刷，耐腐蚀；寿命长，高温下可使用6个月以上，低温下可使用8个月以上。 （4）防爆热电偶 工业用隔爆热电偶是一种

25、温度传感器，在化学工业自控系统中应用极广，通过温度传感器，可将控制对象的温度参数变成电信号，传递给显示、记录和调节仪，对系统施行检测、 调节和控制。 在化工厂，生产现场常伴有各种易燃、易爆等 化学气体、蒸汽，如果使用普通的热电偶非常不安全，极易引起环境气体爆炸。因此，在这些场合必须使用隔爆热电偶作温度传感器， 工作原理：如果由两种不同成份的均质导体(热电极)组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就有电流通过,那么两端之间就存在热电势。 防爆原理：利用间隙隔爆原理，设计具有足够强度的接线盒等部件，将所有会产生火花、电弧和危险温度的零部件都密封在接线盒内，当腔内发生爆炸时，能通过接合面间隙熄

26、火和冷却，使爆炸后的火焰和温度不传到腔外。 除以上介绍的常见热电偶之外，目前工业上广为应用的还有多点热电偶、吹气热电偶、高温防腐热电偶、微细铠装热电偶、压簧固定热电偶、多点隔爆热电偶、高温高压热电偶、快速热电偶等种类，读者感兴趣的话可以自行查阅这方面的资料。,5.2.3 热电偶的冷端补偿方法,从热电效应的原理可知，热电偶产生的热电动势与两端温度有关。只有将冷端的温度恒定，热电动势才是热端温度的单值函数。由于热电偶分度表是以冷端温度为0时作出的，因此在使用时要正确反映热端温度(被测温度)，最好设法使冷端温度恒为0。但在实际应用中，热电偶的冷端通常靠近被测对象，且受到周围环境温度的影响，其温度不是

27、恒定不变的。为此，必须采取一些相应的措施进行补偿或修正，常用的方法有以下几种： 5.2.3.1 冷端恒温法 A、0恒温器 将热电偶的冷端置于温度为0的恒温器内(如冰水混合物)，使冷端温度处于0。这种装置通常用于实验室或精密的温度测量。 B、其他恒温器 将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使之保持温度恒定，避免由于环境温度的波动而引入误差。这类恒温器可以是盛有变压器油的容器，利用变压器油的热惰性恒温；也可以是电加热的恒温器。这类恒温器的温度不为0，故最后还需对热电偶进行冷端温度修正。 5.2.3.2 补偿导线法 热电偶由于受到材料价格的限制不可能做得很长，而要使其冷端不受测温对象的温度影响，必须使冷

28、端远离温度对象，采用补偿导线就可以做到这一点。所谓补偿导线，实际上是一对材料化学成分不同的导线，在0150温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，但价格相对要便宜。若我们利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所(如仪表室)，其实质是相当于将热电极延长。根据中间温度定律，只要热电偶和补偿导线的二个接点温度一致，是不会影响热电动势输出的。下面举例说明补偿导线的作用。,采用镍铬-镍硅热电偶测量炉温。热端温度为800，冷端温度为50。为了进行炉温的调节及显示，必须将热电偶产生的热电动势信号送到仪表室，仪表室的环境温度恒为20。 首先由镍铬-镍硅热电偶分度表查出它在冷端温度为0，热端温度为80

29、0时的热电动势为E(800，0)33.275mV；热端温度为50时的热电动势为E(50，0)2.023mV；热端温度为20时的热电动势为E(20，0)=0.798mV。 如果热电偶与仪表之间直接用铜导线连接，根据中间导体定律，输入仪表的热电动势为：E(800，50)=E(800，0)-E(50，0)=(33.277-2.022)mV=31.255mV(相当于751)。 如果热电偶与仪表之间用补偿导线连接，相当于将热电偶延伸到仪表室，输入仪表的热电动势为：E(800，20)=E(800，0)-E(20，0)=(33.277-0.798)mV=32.479mV(相当于781)。与炉内的真实温度相差

30、分别为： 751-800=-49 781-800=-19 可见，补偿导线的作用是很明显的。 补偿导线的类型见表5-10。表中，I类型通常是和所配用热电极相同的合金；类型通常是和所配热电极不相同的合金。 补偿导线型号按产品品种划分为：SC、KC、KX、EX、JX、TX等，具体见表5-11所示。补偿导线的等级标志见表5-12所示。 其中：a.型号头一个字母与配用热电偶的分度号相对应。b.字母“X”表示延伸型补偿导线。c.字母“C”表示补偿型补偿导线。,补偿导线技术数据： a.热电动势及允差值见表5-13所示： b.补偿导线的防潮试验的绝缘电阻在40水中24h后不大于（10m）25M。 c.补偿导线

31、耐热老化温度在2005，24h前后进行5倍外径卷绕试验，经电压500V/1min亦不击穿。 d.补偿导线技术依据符合IEC584-3标准，普通的符合 GB4989-85标准。 5.2.3.3 计算修正法 上述两种方法解决了一个问题，即设法使热电偶的冷端温度恒定。但是，冷端温度并非一定为0，所以测出的热电动势还是不能正确反映热端的实际温度。为此，必须对温度进行修正。修正公式如下 (5-2-1) 式中，EAB(t，t0)为热电偶热端温度为t，冷端温度为0时的热电动势；EAB(t，t1)为热电偶热端温度为t，冷端温度为t1时的热电动势；EAB(t1，t0)为热电偶热端温度为t1，冷端温度为0时的热电

32、动势。 例如，用镍铬-镍硅热电偶测炉温，当冷端温度为30 (且为恒定时)，测出热端温度为t时的热电动势为39.17mV，求炉子的真实温度。 由镍铬-镍硅热电偶分度表查出E(30，0)=1.203mV根据式(5-2-1)计算出 再通过分度表查出其对应的实际温度为：t=977,5.2.3.4 电桥补偿法 计算修正法虽然很精确，但不适合连续测温。为此，有些仪表的测温线路中带有补偿电桥，利用不平衡电桥产生的电动势补偿热电偶因冷端波动引起的热电动势的变化。下面以DBW型温度变送器的输入回路为例加以说明。 DBW型温度变送器，能与各种常用热电偶配合使用，将温度参数转换成010mA直流电流统一信号。其热电偶

33、输入回路的简化图见图5.2.2。,图5.2.2 电桥补偿法,图中，e为热电偶产生的热电动势，U为回路的输出电压。回路中串接了一个补偿电桥。R1-R5及RCM均为桥臂电阻。RCM是用漆包铜丝绕制成的，它和热电偶的冷端感受同一温度。R1-R5均用锰铜丝绕成，阻值稳定。在桥路设计时，使R1=R2，并且R1、R2的阻值要比桥路中其他电阻大得多。这样，即使电桥中其他电阻的阻值发生变化，左右两桥臂中的电流却差不多保持不变，从而认为其具有恒流特性。线路设计使得I1=I2=I/2=0.5mA。 回路输出电压U为热电偶的热电动势e、桥臂电阻RCM的压降URCM及另一桥臂电阻R5的压降UR5三者的代数和： 当热电

34、偶的热端温度一定，冷端温度升高时，热电动势将会减小。与此同时，铜电阻RCM的阻值将增大，从而使URCM增大，由此达到了补偿的目的。自动补偿的条件应为 （5-2-2） 式中，e为热电偶冷端温度变化引起的热电动势的变化，它随所用的热电偶材料不同而异；I1为流过RCM的电流，即0.5mA；为铜电阻RCM的温度系数，一般取0.0039 1/；t为热电偶冷端温度的变化范围。,现假设热电偶的冷端温度变化范围为0+50，材料采用铂铑10-铂。查分度表得出e为0.299mV，因此补偿电阻RCM的阻值可以根据式(5-2-2)求出 用同样的方法可以求出采用镍铬镍硅热电偶时RCM约为20。 需要说明的是，热电偶所产

35、生的热电动势与温度之间的关系是非线性的，每变化1所产，生的毫伏数并非都相同，但补偿电阻RCM的阻值变化却与温度变化成线性关系。因此，这种补偿方法是近似的。但在实际使用时，由于热电偶冷端温度变化范围不会太大，这种补偿方法常被采用。 5.2.3.5 显示仪表零位调整法 当热电偶通过补偿导线连接显示仪表时，如果热电偶冷端温度已知且恒定时，可预先将有零位调整器的显示仪表的指针从刻度的初始值调至已知的冷端温度值上，这时显示仪表的示值即为被测量的实际温度值。,5.2.4 热电偶测温线路,热电偶测温线路常见形式如下： 5.2.4.1 测量某一点的温度,图5.2.3a、b都是一支热电偶和一个仪表配用的连接电路

36、，用于测量某一点的温度。AB为热电偶，为补偿导线。 这两种连接方式的区别在于：图5.2.3a中的热电偶冷端被延伸到仪表内，图5.2.3b中的热电偶冷端在仪表外面，RD为连接冷端与仪表的导线电阻。 5.2.4.2 测量两点之间的温度差 图5.2.4是用两支热电偶和一个仪表配合测量两点之间温差的线路。图中用了两支型号相同的热电偶并配用相同的补偿导线。工作时，两支热电偶产生的热电动势方向相反，故输入仪表的是其差值，这一差值正反映了两支热电偶热端的温差。为了减少测量误差，提高测量精度，要尽可能选用热电特性一致的热电偶，同时要保证两热电偶的冷端温度相同。,图5.2.3 测量某点温度 劲 图5.2.4 测

37、量两点温差,5.2.4.3 热电偶并联线路 有些大型设备，需测量多点的平均温度。可以通过热电偶并联的测量电路来实现，如图5.2.5所示。将n支同型号热电偶的正极和负极分别连接在一起的线路称并联测量线路。如果n支热电偶的电阻均相等，则并联测量线路的总热电动势等于n支热电偶热电动势的平均值，即 (5-2-3) 热电偶并联线路中，当其中一支热电偶断路时，不会中断整个测温系统的工作。 5.2.4.4 热电偶串联线路 将n支同型号热电偶依次按正负极相连接的线路称串联测量线路，如图5.2.6所示。串联测量线路的总热电动势等于n支热电偶热电动势之和，即 (5-2-4) 串联线路的主要优点是热电动势大，仪表的

38、灵敏度大为增加。缺点是只要有一支热电偶断路，整个测量系统便无法工作。,图5.2.5 热电偶并联 图5.2.5 热电偶串联,5.3 热电偶应用实例,5.3.1 热电偶传感器测温系统的设计应用,下面介绍一个典型的单片机控制的测温系统，它由三大部分组成：(1)测量放大电路；(2)A/D转换电路；(3)显示电路。它广泛应用于发电厂、化工厂的测温及温度控制系统中。 5.3.1.1 硬件设计 (1)热电偶温度传感器 本系统使用镍铬镍硅热电偶，被测温度范围为0655，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)

39、、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=1，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，从而达到了冷端补偿的自动完成。,(2) 测量放大电路 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

40、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)。

41、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VIOS和输入失调电流温漂IIOS都很小，OP-07采用超高工艺和“齐纳微调”技术，使其VIOS、IIOS、VIOS和IIOS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070，一般不需调零，如果需

42、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(318)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。,(3) A/D(模数)转换电路 经过测量放大器放大后的电压信号，其电压范围为05V，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

43、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15VP-P)；(3)低漂移(1V/)；(4)高输入阻抗(典型值1012)；(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

44、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。 ICL7109内部有一个14位(12位数据和一位极性、一位溢出)的锁存器和一个14位的三态输出寄存器，同时可以很方便地与各种微处理器直接连接，而无需外部加额外的锁存器。ICL7109有两种接口方式，一种是直接接口，另一种是挂钩接口。在直接接口方式中，当ICL7109转换结束时，由STATUS发出转换结束指令到单片机，单片机对转换后的数据分高位字节和低位字节进行读数。在挂钩接口方式时，ICL7109提供工业标准的数据交换模式，适用于远距离的数据采集系统。ICL7109为40线双列直插式封装，各引脚功能参考相关文献

45、。,(4) ICL7109与89C51的接口 本系统采用直接接口方式，7109的MODE端接地，使7109工作于直接输出方式。振荡器选择端(即OS端，24脚)接地，则7109的时钟振荡器以晶体振荡器工作，内部时钟等于58分频后的振荡器频率，外接晶体为6MHz，则时钟频率=6MHz/58=103kHz。积分时间=2048时间周期=20ms，与50Hz电源周期相同。积分时间为电源周期的整数倍，可抑制50Hz的串模干扰。 在模拟输入信号较小时，如00.5伏时，自动调零电容可选比积分电容CINT大一倍，以减小噪声，CAZ的值越大，噪声越小，如果CINT选为0.15F，则CAZ=2CINT=0.33F。

46、 由传感器传来的微弱信号经放大器放大后为05V，这时噪声的影响不是主要的，可把积分电容CINT选大一些，使CINT=2CAZ，选CINT=0.33F，CAZ=0.15F，通常CINT和CAZ可在0.1F至1F间选择。积分电阻RINT等于满度电压时对应的电阻值(当电流为20A、输入电压=4.096V时，RINT=200k)，此时基准电压V+RI和V-RI之间为2V，由电阻R1、R3和电位器R2分压取得。本电路中，CE/LOAD引脚接地，使芯片一直处于有效状态。RUN/HOLD(运行/保持)引脚接+5V，使A/D转换连续进行。 A/D转换正在进行时，STATUS引脚输出高电平，STATUS引脚降为

47、低电平时，由P2.6输出低电平信号到ICL7109的HBEN，读高4位数据、极性和溢出位；由P2.7输出低电平信号到LBEN，读低8位数据。本系统中尽管CE/LOAD接地，RUN/HOLD接+5V，A/D转换连续进行，然而如果89C51不查询P1.0引脚，那么就不会给出HBEN、LBEN信号，A/D转换的结果不会出现在数据总线D0D7上。不需要采集数据时，不会影响89C51的工作，因此这种方法可简化设计，节省硬件和软件。 (5)显示电路 采用3位LED数码管显示器，数码管的段控用P1口输出，位控由P3.0、P3.1、P3.2控制。7407是6位的驱动门，它是一个集电极开路门，当输入为“0”时输

48、出为“0”；输入为“1”时输出断开，须接上位电路。共用两片7407，分别作为段控和位控的驱动。数码管选共阳极接法，当位控为“1”时，该数码管选通，动态显示用软件完成，节省硬件开销。,硬件原理如图5-12所示。 5.3.1.2 软件设计 (1（1） ICL模块： 从A/D转换器读取结果的模块，它连续读3次，读出3个结果分别存放于内部30H35H单元(双字节存放)。 (2（2） WAVE数字滤波模块： 它是将ICL模块输出的3个结果排序，取中间的数作为选用的测量值。此模块可以避免因电路偶然波动而引起的脉冲量的干扰，使显示数据平稳。 (3（3） MODIFY模块： 它是补偿热电偶冷端器25时的量值，

49、相当于仪表中的零点调到25，称此模块为零点校正模块(此温度为室温)。,图5.3.1 热电偶传感器测温系统硬件原理图,（4） YA查表模块： 它是核心模块。表格数据是按一定规律增长的数据(0655)，表格中电压值与温度值一一对应，表格中的电压值是热电偶输出信号乘以放大倍数(150)以后的结果，变成十六进制数进行存放，低位在前，高位在后，因而它的数据地址可以代表温度值，用查找的内容的地址减去表格首地址0270H后再除以2(双字节存放)即为温度值。此数据为十六进制数还需进行二十进制转换(CLEAN)，再送显示器显示。 （5） 查表法 采用二分查找法，DP先找对半值(MIDDLE)同转换数据比较(COMPARE)，看属哪一半，修改表格上下限值，再进行对半比较，经过若干次后，直到找到数据为止，如果找不