热电偶传感器测温系统论文

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。

关键字：热电偶、软件化、时间常数、非线性补偿、冷端温度补偿1.温度的基本概念(参考文献【1】)温度是度量物体冷、热程度的物理量,在生产和科学中占有极其重要的地位,是国际单位制(SI)中7个基本物理量之一。

从能量角度来看,温度是描述系统不同自由度间能量发布状态的物理量;从微观上看,温度标志着系统内部分子无规则运动的剧烈程度,温度高的物体,分子平均动能大,温度低的物体,分子平均动能小;从热平衡观点来看,温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。

而用来度量物体温度数值的标尺叫温标,它规定了温度的读数起点(零点)和测量温度的基本单位。

目前用的较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。

温度测量方式有接触式和非接触式两大类。

接触式测温法是将传感器置于与物体相同的热平衡状态中,使传感器与物体保持同一温度的测温方法。

非接触式仪表测温的范围广,不受测温上限的限制,也不会破坏被测物体的温度场,反映速度快;但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水汽等外界因素的影响,其测量误差较大。

2.热电偶测温基本原理(参考文献【2】)热电偶的测温原理基于热电效应,如图1所示。

将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路,当两个接点电T和T0的温度不同时,如果T>T0在回路中就会产生热电动势,并在回路中有一定大小的电流,此种现象称为热电效应,记为EAB,导体A,B称为热电极。

接点T通常是焊接在一起的,测量时将它置于测温场所感受被测温度,故称为测量端(或工作端、热端)。

接点T要求温度恒定,称为参考端(或冷端)。

热电动势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势所组成,热电动势的大小与两种导体材料的性质及接点温度有关。

2.1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：AB A B e =(kT/e)ln(N /N ) (1)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。

2.2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:(2) 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。

2.3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:(3)图1热电偶回路TTe sdT =⎰0TAB 0AB AB 0A B T E =(T,T )=e (T)-e (T )-(s -s )dT ⎰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:0(,)()AB E T T f T =2.4有关热电偶测温的基本定律 2.4.1均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路,不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。

如果热电偶的两根热电极由两种均质导体组成,那么,热电偶的热电动势仅与两接点的温度有关,与热电偶的温度分布无关。

2.4.2中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体,只要其两端的温度相等,该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。

根据这一定则,若把连接导线和显示仪器看成第三种导体,只要他们的两端温度相同,则不影响总热电动势。

2.4.3中间温度定律热电偶两结点的温度分别为T 、T0时所产生的热电动势0(,)AB E T T 等于该热电偶T,0T 以及n T 、0T 时的热电动势的代数和,即有下式:000(,)(,)(,)AB AB AB n E T T E T T E T T =+ (4)中间温度定律是制定热电偶分度表的理论基础。

在一般工程测量中,自由端常常不是零度而是室温或其它温度,通过上式及热电偶分度表计算工作端的温度。

2.4.4参考电极定律两种导体A,B 分别与参考电极C(或称标准电极)组成热电偶,如果他们所产生的热电动势为已知,A 和B 两极配对后的热电动势可用下式求得:000(,)(,)(,)AB AC CB E T T E T T E T T =+ (5)可见,只要知道两种导体分别与参考电极组成热电偶时的热电动势,就可以依据参考电极定律计算出两导体组成热电偶时的热电动势,从而简化了热电偶的选配工作。

2.5热电偶的选择热电偶结构类型很多，其特性及应用环境不同，在选择热电偶测温时，应从温度变化、测量精度要求，安装及维护方便、价格高低等几个方面综合考虑，常用热电偶的特性及应用环境如表2所示。

为了适应需要。

目前已研制出多种特殊性能热电偶，举例如下： 1. 钨铜系热电偶钨铜系材料是目前较好的超高温材料，测温范围可达0°C -3000°C。

例如钨铼5-钨铼20热电偶，一般测温范围为300°C -2400°C 时，精度可达到±1%，且热电势大，适用于高温测量；但尚未合适延长导线，测温时应采用0度恒温法或软件法实现冷端补偿。

表2常用热电偶工作特性及适应温度2.镍铬—金铁热电偶这类热电偶低温性能极好，在绝对温度1-300范围，热电势大且稳定，适用于超低温测量。

3.薄膜热电偶这是由两种不同的金属材料蒸镀到绝缘薄片上而形成的薄片式热电偶，薄膜厚度一般为0.01-0.1mm,平面尺寸也很小，因而测温灵敏度高，反应快（毫秒级），适用于温度变化快的场合。

4.非金属电热级电偶这类热电偶是用石墨和难以熔化的化合物做成热电级，用于测量2000°C以上的高温，其工作稳定性好，热电势大，价格不高，具有取代贵重金属高温热电偶的开发价值。

但这种热电偶复制性差，机械强度小、脆性大，使用场合受到很大限制。

3.热电偶测温系统设计(参考文献【3】)在这里对工业循环冷水系统设计，需要对管路内的水质进行温度测量要求测量速度小于1s,精度1°C，采用单片机系统控制测量。

在常规液体测温应用中，需要对传感器进行铠装保护，即将传感器封装到导热陶瓷或金属套管中，但铠装会增加敏感元件热容量，极大的降低传感器对温度的响应时间。

普通凯装热电偶或热电阻的温度响应时间约为10s以上，特殊铠装的约为5s以上，这显然不满足此系统设计要求。

因而，在此采用热电偶导线自作传感器的封装。

与热电阻相比。

热电偶导线与工作的焊点小，焊点直径约为1mm ，因此敏感元件质量非常小，最终测温的响应时间较小。

通过标准仪器校验，对传感器输入一个50°C 的阶跃型号，其响应时间在1s 以下，且信号的传送利用热电偶丝完成，因此容易封装。

3.1放大电路测温采用的是K 型热电偶，由于对水进行测温。

其测量范围为0°C-100°C,对应的输出热电动势在5mv 以下，输入微弱信号，热电偶的工作端通过热电偶导线的保护套管接入水路，参考端直接连入测量电路。

其工作端和参考端距离较远，容易引入共模干扰，因此采用仪表放大电路来设计测量电路。

AD620是美国AD 公司推出的单片机仪表放大器，采用标准8脚双列直插式封装和8脚贴片式封装，放大倍数有外接的精密电阻决定。

AD620的管脚功能和基本接法如图3所示，2脚和3脚是高阻输入端，6脚是输出端，7脚接正负电源，5脚接参考地，电压放大倍数f A 由1脚和8脚间外接的精密电阻G R 决定：AD620是单片精密仪表放大器，非线性失真小，共模共模抑制比高，低漂移和低噪声，非常在适合恶劣条件下对采集的微弱信号进行放大。

采用AD620仪表放大器对热电偶输出信号进行 放大的电路如图4所示，热电偶导线连接到AD620的两个输入端，其中3脚直接接地，为放大器的输入偏置电流提供直流返回通路;同时，单端接线方式使得热电偶导线上的共模信号在放大器输入端抵消，放大电路采用双极性±5V 电源供电，电阻RG 取51 Ω，得到放大倍数为970倍。

49.41out f in Gu k A u R Ω==+3.2测量方法图5是温度测量系统的整体原理框图，由热电偶传感器将温度信号转换为电动势信号，再将AD260组成放大电路，多路开关送至A/D转换器，最终将转换结果送到MCU。

在放大电路输入端，配置一个集成温度传感器LM135，检测冷端环境温度，其输出信号经多路开关、A/D转换器至MCU，其测量结果作为参考温度对热电偶的测量结果进行冷端补偿。

最终的补偿结果由MCU通过RS232接口送至监控计算机。

图5 温度测量系统整体原理框图图中LM135是PN结反向运用状态的感温器件，可作为二端工作的齐纳二级管，其击穿电压正比于绝对温度，测温范围为（-55-150）°C，灵敏约为10mV/K,在25°C时输出电压为2.98V。

由于冷端环境温度为常温，因此LM135输出电压无须放大，直接入A/D转换器。

MCU根据LM135输出的冷端温度，结合K型热电偶的分度表，利用热电偶的中间温度定律进行冷端校正。

参考端温度为0°C时，K型热电偶分度表如图5所示。

图5 K型热电偶分度表当LM135输出的冷端温度为23°C 势，而热电偶输出的热电动势的测量值为1.200mv,根据中间温度定律：(,0)(,23)(23,0)E T E T E =+,首先查表得(,23)E T =0.919mv,而(23,0)E 为 1.200mv ，则计算出(,0)E T 为2.119mv,在查表得实际温度为52.5°C 。