热电偶温度传感器

南昌航空大学课程论文题目热电偶温度传感器姓名学号1508408520316姓名学号1508208520322姓名学号1508081520330专业年级15级仪器仪表工程2015年12月8日南昌航空大学课程论文I目录1热电偶温度传感器的技术参数..............................................11.1热电偶、热电阻分度号..............................................12热电偶温度传感器的工作原理..............................................12.1温度传感器热电阻测温原理及材料....................................22.2.温度传感器热电阻的结构............................................23热电偶温度传感器的基础指标..............................................23.1接触热电动势......................................................23.2温差电动势........................................................33.3热电偶回路总电动势................................................34热电偶温度传感器的设计指标..............................................35热电偶温度传感器的静态指标及动态指标....................................45.1静态指标..........................................................45.2动态指标..........................................................56热电偶温度传感器的静态及动态测试方法....................................66.1静态测试方法......................................................66.2动态测试方法......................................................77热电偶温度传感器的安全性及可靠性分析....................................77.1误差来源分析......................................................77.2补偿方法研究......................................................8参考文献..................................................................9南昌航空大学课程论文II热电偶温度传感器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。【关键词】热电偶、软件化、时间常数、非线性补偿、冷端温度补偿南昌航空大学课程论文IIIThermocoupletemperaturesensorAbstractThermocoupleistoconverttemperaturevariationtothesizeofthermoelectricpotentialthermoelectricsensors,isawidelyusedmethodofindirectlymeasuringtemperature,itisusingsomeofthematerialorcomponentperformanceparameterswiththetemperaturechangesbymeasuringtheperformanceparameters,andthesizeofthemeasuredtemperatureinthisarticlemainlyintroducestheuseoftheprincipleofthermocoupletemperaturesensorandsystemdesign.Inthispaperthetemperatureatthesametime,inviewoftheshortage,putforwardakindofbasedonnumericalcalculationsoftwaretemperaturemeasuringmethod,andgivesthefourstepsofimplementingthetemperaturemeasurement,givestherelevantcircuit,fittingequationandcalculationmethod.Tobehighertemperaturemeasurementprecision,optimizationmethodintheanalysisoftheerror,timeconstanterroranalysis,thenonlinearcompensationmethodisdiscussedandthecoldendtemperaturecompensationtechnology.【Keywords】Thermocouple,software,timeconstant,nonlinearcompensation,thecoldendtemperaturecompensation南昌航空大学课程论文11热电偶温度传感器的技术参数1.1热电偶、热电阻分度号目前,国内生厂的热电偶、热电阻产品的分度多采国际标准,即热电偶按照IEC2584标准生产,热电阻按照IEC2751标准生产,实现了与国际标准的接轨。今将各国热电偶、热电阻分度号列表如下,供读者参考,见表1.1。名称分度号国别国际IEC中国日本德国前苏联美国新旧新旧英国铂铑10—铂SSLB-3S/PtRh-Pt铂铑30—铂铑6BBLL-2B/PtRh2Pt/铂铑13—铂RR/RPR/P镍铬—镍硅KKEU-2KCA/XA镍铬—铜镍EEEA-2ECRCNiCr2NiXK铜—铜镍TTCK-2TCC/铁—铜镍JJ/JICCu2Konst镍铬硅—镍硅NN///Fe2Konst铂电阻Pt100Pt100Pt100BA1-46BA2-100Pt100JPt100铜电阻Cu50Cu50Cu50G53Cu50表1.1各国热电偶、热电阻分度号列表2热电偶温度传感器的工作原理将两种不同的金属导体焊接在一起，构成闭合回路，如在焊接端（即测量端）加热产生温差，则在回路中就会产生热电动势，此种现象称为塞贝克效应（Seebeck-effect）。如将另一端（即参考端）温度保持一定（一般为0℃），那么回路的热电动势则变成测量端温度的单值函数。这种以测量热电动势的方法来测量温度的元件，即两种成对的金属导体，称为热电偶。热电偶产生的热电动势，其大小仅与热电极材料及两端温差有关，与热电极长度、直径无关。南昌航空大学课程论文2图2.1热电偶工作原理2.1温度传感器热电阻测温原理及材料温度传感器热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。温度传感器热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造温度传感器热电阻。2.2.温度传感器热电阻的结构精通型温度传感器热电阻工业常用温度传感器热电阻感温元件（电阻体）的结构及特点见表2-1-11。从温度传感器热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过温度传感器热电阻阻值的变化来测量的，因此，温度传感器热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。为消除引线电阻的影响同般采用三线制或四线制。铠装温度传感器热电阻铠装温度传感器热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，如图2-1-7所示，它的外径一般为φ2~φ8mm，最小可达φmm。与普通型温度传感器热电阻相比，它有下列优点：①体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；②机械性能好、耐振，抗冲击；③能弯曲，便于安装④使用寿命长。端面温度传感器热电阻端面温度传感器热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面，其结构如图2-1-8所示。它与一般轴向温度传感器热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。隔爆型温度传感器热电阻隔爆型温度传感器热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引超爆炸。隔爆型温度传感器热电阻可用于Bla~B3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。3热电偶温度传感器的基础指标3.1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NANB,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：)1()/ln()/(BAABNNekTe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。南昌航空大学课程论文33.2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(0TTsdte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。3.3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TT0,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()()()(),(000TTBAABABABdTSSTeTeTTE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:)(),(0TfTTEAB4热电偶温度传感器的设计指标本系统使用镍铬—镍硅热电偶，被测温度范围为0～655℃，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）、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=1Ω，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=Rc