温度传感器的连接与信号获取

情景五 温度传感器的连接与信号获取

任务1：炉温检测

5.1.1任务目标

使学生了解炉温检测器件、测温范围和测温电路。

5.1.2任务内容

针对炉温检测要求，确定温度传感器。分析制定安装位置、实施效果检测方案，成本分析。学生现场安装、连接和调测传感器电路。

5.1.3知识点

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，常用的热电偶测温范围为－50℃～＋1600℃，某些特殊热电偶最低可测－270℃，最高可达＋2800℃。

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。

一、热电偶的外形结构、种类和特性

（一）常用热电偶的外形

各种普通装配型热电偶的外形如下图所示。

各种普通装配型热电偶

接线盒 引出线套管 不锈钢保护套管

热电偶工作端

固定螺纹

各种铠装型热电偶的外形如下图所示。

各种防爆型热电偶的外形如图所示。

（二）热电偶的结构

接线盒固定装置B -B 金属导管绝缘材料A 放大A B B 各种防爆型热电偶 （a ） （b ）

热电偶的结构 （a ）普通热电偶；（b ）铠装热电偶 各种铠装型热电偶

（三）热电偶的分类

1．热电偶的结构分类：

（1）普通热电偶：

普通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。常用于测量气体、蒸气和各种液体等介质的温度。

（2）铠装热电偶：

铠装热电偶又称缆式热电偶，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。可做得很细、很长，可弯曲，外径小到1～3mm。主要特点是测量端热容量小、动态响应快、绕性好、强度高。

2．热电偶的种类：

（1）标准型热电偶：

标准型热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶。标准热电偶有配套显示仪表可供选用。

国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐了8种热电偶作为标准型热电偶。表2-1是它们的基本特性。热电偶名称的含义如下：

标准型热电偶及基本特性

①铂铑30－铂铑6：正负极均为铂铑合金，其中正极含铂70％、铑30％；负极含铂94％、铑30％

②铂铑13－铂：正极为铂铑合金，含铂87％、铑13％；负极为纯铂。 ③铂铑10－铂：正极为铂铑合金，含铂90％、铑

10％；负极为纯铂。

④镍铬－镍硅：正极为镍铬合金，含镍90.5％、铬9.5％；负极为镍硅材料，含镍97.5％、硅2.5％

⑤镍铬－康铜：正极为镍铬合金，含镍89％、铬10％，铁1％；负极为镍铜合金，含镍40％、铜60％。

（2）非标准型热电偶：

它的复现性差，没有统一的分度表，主要用于扩展高温和低温的测量以及特殊场合的测量。

①铱铑系：热电动势与温度线性关系好，长期使用温度2000℃以下，适用于真空、还原性和惰性气体中。

②钨铼系：可以使用到2800℃，适用于真空、还原性和惰性气体中。

③镍铬－铁金：低温－270～0℃，低温下线性好，灵敏度高。

④银金－金铁：测温范围为－270～－196℃。

二、热电偶工作原理

（一）热电效应

由两种不同成分的导体组成一个闭合回

路，当闭合回路的两个接点分别置于不同的温

度场中，回路中产生一个方向和大小与导体的

材料及两接点的温度有关的电动势，这种效应

称为“热电效应”，或称温差电效应。由于这种效应是

1821年德国物理学家赛贝克首先发现的，故又称为

赛贝克效应。热电偶回路如右图所示。 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（T 0）中。

（三）热电势的组成

热电势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，由于两导体的自由电子密度不同，假设A 自由电子密度大于B 的自由电子密度，则A 的自由电子向B 扩散，形成A 到B 的电场。在电场作用下，电子反方向运动，当达到动态平衡时，A 与B 之间的电位差就是接触电动势。接触电动势：

)()(0T AB T AB AB e e e -=

2．温差电动势：单一导体A 、B ，其两端分别置于不同的温度T 、T 0时，假设T 大于T 0，则热端T 温度处的自由电子向冷端T 0温度处移动，形成热端指向冷端的静电场。在电场作用下，电子反方向运动，当达到动态平衡时，热端与冷端之间的电位差为温差电动势。温差电动势：

),(),(),(000T T T T A T T e e e -=

3．总电动势：接触电动势与温差电动势之和为热电偶的总电势。

),(),()()(),(0000T T B T T A T AB T AB T T AB e e e e E -+-=

由于温差电动势较小，可忽略。若冷端T 0温度保持不变，则总电动势：

c e e e E T AB T AB T AB T T AB -=-=)()()(),(00

从上式可看出，热电偶产生的热电动势只随热端（测量端）温度的变化而变化，即一定的热电动势对应一定的温度，测得热电动势就能测得温度了。 不同材料组成的热电偶，热电动势E AB 与T 的函数关系是不同的，它由实验法求取，并用分度表列出。

三、热电偶的基本定律