第九章热电偶传感器第二讲

教师授课方案（首页）授课班级09D电气1、电气2 授课日期课节 2 课堂类型讲授课题第九章热电偶传感器第五节热电偶冷端温度补偿及技术第六节热电偶的应用及配套仪表教学目的与要求【知识目标】1、掌握热电偶的冷端温度补偿方法2、掌握温控仪表的接线方法【能力目标】培养学生理论分析及理论联系实际的能力，在实际测量中会进行热电偶传感器的选用以及冷端延长导线的选型。

【职业目标】培养学生爱岗敬业的情感目标。

重点难点重点：机械调零法、电桥法、半导体集成温度传感器及温控仪表接线难点：温控仪表接线教具教学辅助活动教具：多媒体课件、习题册教学辅助活动：提问、学生讨论一节教学过程安排复习1、温标的概念举例说明测量温度的方法2、热电偶传感器的工作原理、热电极、热电势、冷端、测量端；3、热电偶的分类、选用及怎样查分度表；4、热电偶的冷端补偿应怎样配型5分钟讲课1、掌握热电偶的冷端温度补偿方法2、掌握温控仪表的接线方法73分钟小结小结见内页，之后利用10分钟时间与学生互动答疑10分钟作业习题册第九章热电偶传感器习题2分钟任课教师：叶睿2011年1月31日审查教师签字：年月日教案附页【复习提问】上节课知识点：1、温标的概念举例说明测量温度的方法2、热电偶传感器的工作原理、热电极、热电势、冷端、测量端；3、热电偶的分类、选用及怎样查分度表；4、热电偶的冷端补偿应怎样配型第五节热电偶的冷端温度补偿及技术处理【本节内容设计】通过课件与教师讲授热电偶的冷端温度补偿方法，为测量温度及热电偶传感器的学习奠定基础【授课内容】由热电偶测温原理可知，热电偶的输出热电势是热电偶两端温度t 和t0差值的函数，当冷端温度t0不变时，热电势与工作端温度成单值函数关系。

各种热电偶温度与热电势关系的分度表都是在冷端温度为0℃时作出的，因此用热电偶测量时，若要直接应用热电偶的分度表，就必须满足t0=0℃的条件。

但在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0℃，而且也不恒定，因此将产生误差，一般情况下，冷端温度均高于0℃，热电势总是偏小。

消除或补偿这个损失的方法，常用的有以下几种：一、冷端恒温法1、冰浴法;将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0℃不变。

此法也称冰浴法，它消除了t0不等于0℃而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室中。

2、恒温器法：将热电偶的冷端置于电热恒温器中，恒温器的温度略高于环境温度的上限（例如40℃）。

3、空调法：将热电偶的冷端置于恒温空调房间中，使冷端温度恒定。

应该指出的是，除了冰浴法是使冷端温度保持0℃外，后两种方法只是使冷端维持在某一恒定（或变化较小）的温度上，因此后两种方法仍必须采用下述几种方法予以修正。

图9-9是冷端置于冰瓶中的接法布置图。

图9-9 冰浴法接线图1－被测流体管道2－热电偶3－接线盒4－补偿导线5－铜质导线6－毫伏表7－冰瓶8－冰水混合物9－试管10－新的冷端二、计算修正法1、公式当热电偶的冷端温度t0 0℃时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势E AB（t，t0）与冷端为0℃时所测得的热电势E AB（t，0℃）不等。

若冷端温度高于0℃，则E AB（t，t0）<E AB （t，0℃）。

可以利用下式计算并修正测量误差E AB（t，0℃）=E AB（t，t0）+E AB（t0，0℃）（9-6）2、举例9-1 用镍铬-镍硅（K型）热电偶测炉温时，冷端温度t0=30℃，在直流毫伏表上测得的热电势E AB（t，30℃）=38.505mV，试求炉温为多少？解查镍铬-镍硅热电偶（附录D）分度表，得到E AB（30℃，0℃）=1.203mV。

根据式（9-6）有E AB（t，0℃）=E AB（t，30℃）+E AB（30℃，0℃）=（38.505+1.203）mV=39.708mV反查K型热电的偶分度表，得到t=960℃。

该方法适用于热电偶冷端温度较恒定的情况。

在智能化仪表中，查表及运算过程均可由计算机完成。

三、仪表机械零点调整法当热电偶与动圈式仪表配套使用时，若热电偶的冷端温度比较恒定，对测量准确度要求又不太高时，可将动圈仪表的机械零点调整至热电偶冷端所处的t0处，这相当于在输入热电偶的热电势前就给仪表输入一个热电势E（t0，0℃）。

这样，仪表在使用时所指示的值约为E （t，t0）+E（t0，0℃）。

说明：此方法的补偿范围是0～40℃，一般补偿为0～20℃此方法有误差，但测量简单，在工业上经常使用。

四、电桥补偿法利用不平衡电桥产生的电动势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，如图所示。

电桥由电阻R1.R2.R3.Rt组成，Rl, R2, R3一般由电阻温度系数很小的锰铜扮绕制，阻值一般不随温度变化，Rt由温度系数较大的铜线绕制，由稳压电源提供电桥电源。

0℃时电桥平衡，R1=R2=R3=Rt, Uab=0，对测量无影响，当环境温度变化时，Rt阻值随即变化，桥路失去平衡，此时Uab与热电偶的热电动势E叠加，最后输出,适当选择桥路电阻，使Uab正好补偿由于冷端温度变化引起的热电动势变化值，即可使输出端指示出正确温度。

此方法选配繁琐，影响精度五、半导体集成温度传感器及热电偶冷端温度的测量1、方法：在计算修正法中，首先必须测出冷端温度，才有可能进行计算修正。

玻璃温度计无法适应计算机自动检测的要求。

若使用铜热电阻测量，则需要较精密的桥路激励电源，而且温度与输出电压的标定也较复杂。

现在普遍使用半导体集成温度传感器来测量室温。

它具有体积小、集成度高、准确度高、线性好、输出信号大、无需冷端补偿、不需要进行温度标定、热容量小、外围电路简单等优点。

只要将它置于热电偶冷端附近，将该传感器的输出电压作简单的换算，就能得到热电偶的冷端温度，从而用计算修正法进行冷端温度补偿。

常用的集成温度传感器有：AD590系列电流输出型温度传感器、数字输出型集成温度传感器LM74、专用热电偶冷端温度补偿芯片MAX6675等。

2、举例：是一个热电偶温度采集电路。

AD590和R1, R2构成冷端补偿电路，补偿电压V=I(Rl//R2)=K(T+273.2)(Rl//R2)K=1μA/℃，调节电位器R2即可调整补偿电势。

设冷端温度T在0～50℃变化，热电偶的平均热电势率为40.44μV/℃,K=1μA/℃,所以为保证补偿电势V随温度变化率与热电偶相同，应使(Rl//R2) = 40.44Ω从而保证补偿电势V随温度变化率与热电偶相同。

放大器AD620是由ANALOG DEVICES公司生产的一种双电源(±2.3V～±18V)供电、低噪声、低失调、低功耗、高共模抑制比(G=1时，CMRR=90的仪器运算放大器，差分输入阻抗高达10GΩ//2pF，只要在1脚和8脚RG-接入一定阻值的电阻RG就可以得到对差动信号(2脚IN－和3脚IN+)一定倍数G的放大效果，V ouT=G[ (IN+)一(IN-)]+VREF。

第六节热电偶的应用及配套仪表【本节内容设计】通过演示、课件与教师讲授温控仪表的接线，为实际工程测量温度及热电偶传感器的学习奠定基础【授课内容】一、与热电偶配套的仪表与热电偶配套的仪表有动圈式仪表及数字式仪表之分。

符合国家标准的动圈式显示仪表命名为XC系列。

按其功能有指示型（XCZ）和指示调节型（XCT）两个系列品种。

与K型热电偶配套的动圈仪表型号为XCZ系列及XCT系列等。

数字式仪表按其功能也有指示型XMZ系列和指示调节型XMT系列品种。

XMT系列仪表是在XCT系列仪表的基础上，加装了有调节、报警功能的数字式指示-调节型仪表，是专为热工、电力、化工等工业系统测量、显示、变送温度的一种标准仪器，适用于旧式动圈指针式仪表的更新、改造。

它不仅具有显示温度的功能，还能实现被测温度超限报警或双位继电器调节。

其面板上设置有温度设定按键。

当被测温度高于设定温度时，仪表内部的继电器动作，可以切断加热回路。

它的特点是采用工控单片机为主控部件，智能化程度高，使用方便。

这类仪表多具有以下功能：（1）双屏显示主屏显示测量值，副屏显示控制设定值。

（2）输入分度号切换仪表的输入分度号可按键切换（如K、R、S、B、N、E型等）。

（3）量程设定测量量程和显示分辩力由按键设定。

（4）控制设定上限、下限或“上上限”、“下下限”等各控制点值可在全量程范围内设定，上下限控制回差值也可分别设定。

（5）继电器功能设定内部的数个继电器可根据需要设定成上限控制（报警）方式或下限控制（报警）方式。

（6）断线保护输出可预先设定各继电器在传感器输入断线时的保护输出状态（ON/OFF/KEEP）。

（7）全数字操作仪表的各参数设定、准确度校准均采用按键操作，无须电位器调整，掉电不丢失信息。

（8）冷端补偿范围：0～60℃。

（9）接口许多型号还带有计算机串行接口和打印接口。

与热电偶配套的标准仪表外形及接线图如图9-16所示。

图9-16 与热电偶配套的标准仪表外形及接线图a）XMT仪表外形b）XCZ型接线c）XMT型接线图9-16b中的“短”、“短”两端在搬运仪表时须用导线短接起来，以保护仪表指针不致打弯或折断。

图9-16c右上角的三个接线端子分别为上限输出“2”的三个触点，从左到右依次为：仪表内继电器的常开（动合）触点、动触点和常闭（动断）触点。

当被测温度低于设定的上限值时，“高-总”端子接通，“低-总”端子断开；当被测温度达到上限值时，“低-总”端子接通，而“高-总”端子断开。

“高”、“总”、“低”三个输出端子在外部通过适当连接，能起到控温或报警作用。

“上限输出1”的两个触点还可用于控制其他电路，如风机等。

二、接线方法见下图三、热电偶的应用1、金属表面温度的测量对于机械、冶金、能源、国防，金属表面温度的测量是比较复杂又普遍的问题。

根据对象的特点，测温范围从几百到一千多摄氏度，测量的方法是接触测量法。

在200—300摄氏度时，用用粘接剂或焊接的方法，将热电偶的结点粘附于被测金属表面。

在测量高温较高时，采用焊接，将热电偶头部焊于金属壁面。

此时热电偶的接点接地，必须采用差动减法放大器。

焊接方式有V形焊、平行焊和交叉焊2、热电偶测量水泵的效率如果水泵的效率不为100%，动力轴输入的机械能量大部分转变成水的势能和动能，剩余部分必将转换成热量，使水的温度升高。

将两根同型号的热电偶反向串联后，分别安装在进水口和出水口处，其热电势之差反映了出水口和入水口的温度之差。

即可求出水泵的效率。

3、热电堆在红外探测器中的应用红外辐射可引起物体的温度上升。

将热电偶置于红外辐射的聚焦点上，可根据其输出的热电势来测量入红外线的强度。

单根热电偶的输出十分微弱。

为了提高红外辐射探测器的探测效应，可以将许多对热电偶串联。