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
目录
1 热电偶温度传感器的技术参数 (1)
1.1 热电偶、热电阻分度号 (1)
2 热电偶温度传感器的工作原理 (1)
2.1 温度传感器热电阻测温原理及材料 (2)
2.2.温度传感器热电阻的结构 (2)
3 热电偶温度传感器的基础指标 (3)
3.1 接触热电动势 (3)
3.2 温差电动势 (3)
3.3 热电偶回路总电动势 (3)
4 热电偶温度传感器的设计指标 (4)
5 热电偶温度传感器的静态指标及动态指标 (5)
5.1 静态指标 (5)
5.2 动态指标 (5)
6 热电偶温度传感器的静态及动态测试法 (7)
6.1 静态测试法 (7)
6.2 动态测试法 (7)
7 热电偶温度传感器的安全性及可靠性分析 (8)
7.1 误差来源分析 (8)
7.2 补偿法研究 (8)
参考文献 (9)
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、拟合关系式和计算法。为了是测温精度更高，在此分析了误差优化法，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
Thermocouple temperature sensor
Abstract
Thermocouple is to convert temperature variation to the size of thermoelectric potential thermoelectric sensors, is a widely used method of indirectly measuring temperature, it is using some of the material or component performance parameters with the temperature changes by measuring the performance parameters, and the size of the measured temperature in this article mainly introduces the use of the principle of thermocouple temperature sensor and system design. In this paper the temperature at the same time, in view of the shortage, put forward a kind of based on numerical calculation software temperature measuring method, and gives the four steps of
implementing the temperature measurement, gives the relevant circuit, fitting equation and calculation method. To be higher temperature measurement precision, optimization method in the analysis of the error, time constant error analysis, the nonlinear compensation method is discussed and the cold end temperature compensation technology.
【Key words】Thermocouple, software, time constant, nonlinear compensation, the cold end temperature compensation
1 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IEC 2584 标准生产,热电阻按照IEC 2751标准生产,实现了与国际标准的接轨。
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。
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，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，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：
)1()/ln()/(B A AB N N e kT e =
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。
3.2 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?=T
T sdt e
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
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()()()(),(000?---==T T B A AB AB AB dT S S T e T e T T E
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:
)(),(0T f T T E AB =
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=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。
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 ）。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αVIOS 和输入失调电流温漂αIIOS 都很小，OP-07采用超高工艺和“齐纳微调”技术，使其VIOS 、IIOS 、αVIOS 和αIIOS 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，使用温度围0～70℃，一般不需调零，如果需要调零可采用RW 进行调整。A3采用741芯片，它要求双电源供电，供电围为±（3～18）V ，典型供电为±15V ，一般应大于或等于±5V ，其部含有补偿电容，不需外接补偿电容。
经过测量放大器放大后的电压信号，其电压围为0～5V ，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15μVP-P ）；（3）低漂移（<1μV/℃）；（4）高输入阻抗（典型值1012Ω）；（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，以字节式（分高低字节）三态输出，并且具有VART挂钩式，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。
5 热电偶温度传感器的静态指标及动态指标
5.1 静态指标
由于离子镀膜时NiCr与NiSi的成分不同于块状材料，导致薄膜热电偶与丝式热电偶的热电特性不同，因此在使用NiC洲iSi薄膜热电偶之前需要对其进行静态标定。在用离子镀法沉积薄膜热电偶的同时，在两根长500 film，直径为25 mm的英玻璃管上分别同炉镀制NiCr／NiSi薄膜热电偶用作静态标定。为了尽量与实际使用情况相同，标定时薄膜热电偶的冷端也是用相同的NiCr／NiSi丝引至冰点器，使其温度恒为0℃。标定是采用比较法完成的。根据使用温度围不同，分别在HWS—I型标准水槽(0～100℃)、HWY．Ⅱ型标准油槽(100"--300℃)、YG一3型卧式热电偶检定炉(300～600℃)对薄膜热电偶进行标定。在水槽和油槽中标定时，薄膜热电偶输出是与二等标准铂电阻的输出进行比较的；而在检定炉标定时，薄膜热电偶输出是与二等标准S型热电偶的输出进行比较的。从50℃开始每隔50℃标定一个点，一直标定到要求的最大值600℃，其结果如表2和图5.1所示。
表5.1薄膜热电偶输出热电势E与热端温度 之间的关系
图5.1薄膜热电偶静态标定曲线
5.2 动态指标
NiC烈iSi薄膜热电偶镀制于沉积有绝缘膜的高速钢基体表面上，因基体厚度相对于薄膜厚度来说非常大，故可视为半无限大物体，且处于一维非稳态导热过程。并假定材料物理性能不随温度变化，因为传感器使用温度上限远低于薄膜及基体的熔化温度。
设热量沿X 向(即垂直膜面向基体部向)传播，薄膜热电偶膜层温度分布函数为),(1t x θ，基体温度分布函数为),(2t x θ，则薄膜热电偶的导热微分程为
起始条件为
边界条件为
基体的导热微分程为
起始条件为
边界条件为
当薄膜表面产生一温度阶跃时，即C S t F θθθ=-=)()(0，S θ为稳态温度，C θ为一温度常数，由式(1)及式(2)的共同起始条件及边界条件求得式(1)的特解为
式(5)中的系数K由式(4)确定。式(5)即为表面温度产生一阶跃时，薄膜热电偶所测温度随时间的变化关系。令式(5)左端等于0．368，并将各参数代入即可求出时间常数 约为8.1us。
6 热电偶温度传感器的静态及动态测试法
6.1 静态测试法
静态标定又称为分度，是确定热电动势与温度对应关系的法，一般有纯金属定点法、比较法、黑体空腔法等几种。
纯金属定点法是利用纯金属相变过程中的平衡点进行分度的法，这些平衡点在国际温标中规定了统一的温度数值。比较法是将高级别标准热电偶和待检热电偶一起放置于均匀温度场中并进行比较的分度法。该法具有设备简单易操作，测量电势值，计算简单、结果直观，一次可分度多只传感器，标准器和被检传感器种类可以不同等优点。比较法是目前最常用的标定法。
黑体空腔法，是在卧式电阻炉最高温区的均匀温场放置一个黑体空腔，空腔一端安放被检热电偶，另一端为标准光学高温计的测量窗口，使电阻炉恒定某一温度点，用标准光学高温计测量黑体空腔底部的高亮温度，同时测出被检热电偶的热电动势，黑体空腔法常用于高温热电偶的分度，分度时可以采取任意分度点，但是分度的准确度受黑体空腔的发射率和标准光学高温计准确度的影响，计算法比较复杂。
恒温槽中分度属于比较法的一种，不同的是该法可将待检热电偶放在恒温槽中与标准仪器比较。例如，0~300℃时，一般用标准水银温度计进行比较。
成套分度是将被检热电偶与显示仪表配套连接，作为一个整体进行分度，该法可以确定热电偶测量系统的综合误差。
6.2 动态测试法
对接触式温度传感器的动态响应时间进行测试，其整个测试系统包括一套机械装置、热电
偶、控制系统、接口电路及应用LabVIEW平台编制的配套软件。其中，控制系统则包括自带控制器的tRIO NI一9074及其配套数据采集卡NI一9223、数字I／O卡NI一9403。通过数字I／O卡控制电磁阀来控制系统机械装置，使其触发，数据采集卡实时对温度传感器的输出进行采集，采集到的测试数据经过应用软件计算得出时间常数并显示和储存。测试系统的结构如图6.1所示。
图6.1动态响应测试系统结构示意图
7 热电偶温度传感器的安全性及可靠性分析
7.1 误差来源分析
（1）已定系统误差：薄膜热电偶材料不均引起的测温误差；
（2）传递误差：用比较法标定热电偶时，标准器也会存在一定的误差；
（3）热电偶分度引起的温度误差：曲线拟合产生的非线性误差；
（4）补偿导线引起的测温误差：中间温度或中间导体带来的误差；
包括两个部分：一是由于补偿导线与热电偶冷端温度不一致引起的；二是由于补偿导线与热电偶热电特性不同引起的。由于尺寸效应，第二部分比较大。
根据误差分析与处理理论，系统误差按照代数和法合成，未定系统误差及随机误差均按根法合成。
7.2 补偿法研究
热电偶电势与电极材料及接点温度有关。分度时一般都以0℃为参考温度。实际测温很难长时间保持该参考温度，必须采取修正或补偿措施。主要法有：
（1）冰点器法。用清洁的水制成的冰屑和清洁的水相混合放在保温瓶中，使水面略低于冰屑面，实现的冰点平衡温度可以认为是0℃。
（2）热电动势补正法。根据中间温度定律，测得热电动势EAB （T , T n T0）加上E AB （T n , T0）就可得所需的电势EAB（T, T n , T0）。EAB（T n , T0）的值可在分度表直接查出，或由实验获得。此法应用于测量热电偶输出为热电势的场合。
（3）温度修正法。该法针对于直读式温度仪表。采用温度补正法所带来的误差大于热电势修正法。
（4）调仪表起始点法。在仪表开路的情况下，先将仪表起始温度调至Tn，相当于实现给仪表
EAB（T n , T0）。测温时，根据中间温度定律进行折算。
参考文献
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湖南大学实验指导书 课程名称：实验类型： 实验名称：热电阻热电偶温度传感器校准实验 学生姓名：学号：专业： 指导老师：实验日期：年月日 一、实验目的 1.了解热电阻和热电偶温度计的测温原理 2.学会热电偶温度计的制作与校正方法 3.了解二线制、三线制和四线制热电阻温度测量的原理 4.掌握电位差计的原理和使用方法 5.了解数据自动采集的原理 6.应用误差分析理论于测温结果分析。 二、实验原理 1.热电阻 (1) 热电阻原理 热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。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。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，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。常用铂电阻和铜电阻，铂电阻在0—630.74℃以内，电阻Rt与温度t 的关系为： Rt=R0(1+At+Bt2) R0系温度为0℃时的电阻，铂电阻内部引线方式有两线制，三线制，和四线制三种，两线制中引线电阻对测量的影响最大，用于测温精度不高的场合，三线制可以减小热电阻与测量仪之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响，用与高精度温度检测。本实验是三线制连接，其中一端接二根引线主要是消除引线电阻对测量的影响。 (2) 热电阻的校验 热电阻的校验一般在实验室中进行，除标准铂电阻温度计需要作三定点，（水三相点，水沸点和锌凝固点）校验外，实验室和工业用的铂或铜电阻温度计的校验方法有采用比较法
热电偶温度传感器设计报告
传感器课程设计 设计题目：热电偶温度传感器 2010年12月30日 目录 1、序言 (3) 2、方案设计及论证 (4)
3、设计图纸 (9) 4、设计心得和体会 (10) 5、主要参考文献 (11) 一、序言 随着信息时代的到来，传感器技术已经成为国外优先发展的科技领域之一。测控系统的设计通常是从对象信息的有效获取开始的不同种类
的物理量不仅需要不同种类的传感器进行采集，而且因信号性质的不同，还需要采用不同的测量电路对信号进行调理以满足测量的要去。因此，触感其与检测技术在现代测量与控制系统中具有非常重要的地位。 而在所有的传感器中，热电偶具有构造简单、适用温度围广、使用方便、承受热、机械冲击能力强以及响应速度快等特点，常用于高温区域、振动冲击大等恶劣环境以及适合于微小结构测温场合。 因此，我们想设计一种热电偶传感器能够在低温下使用，可以适用于试验和科研中，测量为温度围：-200 ℃ ~500 ℃，电路不太复杂的简易的热电偶温度传感器，考虑到制作材料相对便宜，我们选择了铜-铜镍（康铜）。在选择测量电路时，我们从简单，符合测量围要求及热电偶的技术特性，我们采用了AD592对T型热电偶进行冷结点的补偿电路。这种型号的电路允许的误差（0.5 ℃或0.004x|t|）相对于其他类型的热电偶具有测量温度精度高，稳定好，低温时灵敏度高，价格低廉。能较好的满足测量围。 热电偶同其它种温度计相比具有如下特点： a、优点 ·热电偶可将温度量转换成电量进行检测，对于温度的测量、控制，以及对温度信号的放大、变换等都很方便， ·结构简单，制造容易， ·价格便宜， ·惰性小，
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热电偶--通用而经济 热电偶由二根不同的金属线材，将它们一端焊接在一起构成，如图1所示；参考端温度（也称冷补偿端）用来消除铁-铜相联及康铜-铜联接端所贡献的误差；而两种不同金属的焊接端放置于需要测量温度的目标上。 两种材料这样联接后会在未焊接的一端产生一个电压，电压数值是所有联接端温度的函数，热电偶无需电压或电流激励。实际应用时，如果试图提供电压或电流激励反而会将误差引进系统。 鉴于热电偶的电压产生于两种不同线材的开路端，其与外界的接口似乎可通过直接测量两导线之间的电压实现；如果热电偶的的两端头不是联接至另外金属，通常是铜，那末事情真会简单至此。 但热电偶需与另外一种金属联接这一事实，实际上又建立了新的一对热电偶，在系统中引入了极大的误差，消除此误差的唯一办法是检测参考端的温度（参见图1），以硬件或硬件-软件相结合的方式将这一联接所贡献的误差减掉，纯硬件消除技术由于线性化校正的因素，比软件-硬件相结合技术受限制更大。一般情况下，参考端温度的精确检测用热电阻RTD，热敏电阻或是集成电路温度传感器进行。原则上说，热电偶可由任意的两种不同金属构建而成，但在实践中，构成热电偶的两种金属组合已经标准化，因为标准组合的线性度及所产生的电压与温度的关系更趋理想。 表3与图2是常用的热电偶E,J,T,K,N,S,B R的特性。
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太原理工大学课程设计任务书 1.课程设计完成后，学生提交的归档文件应按照：封面—任务书—说明书—图纸的顺序进行装订上交（大张图纸不必装订）。 2.可根据实际内容需要续表，但应保持原格式不变。
一、设计方案 设计中采用了两个方案，具体的方案见方案一和方案二。 方案一：分立元气件冷端补偿方案 该方案的热电偶冷端温度补偿器件是由分立元件构成的,其体积大,使用不够方便,而且在改变桥路电源或热电偶类型时需要重新调整电路的元件值。主要包括温度采集电路、信号放大电路、A/D转换电路、热电偶冷端补偿电路、数码管显示电路等。其系统框图如图1。 图1：分立元气件冷端补偿 方案二：集成电路温度补偿方案 采用热电偶冷端补偿专用芯片MAX6675，MAX6675温度转换芯片具有冷端温度补偿及对温度进行数字化测量这两项功能。一方面利用内置温度敏感二极管将环境温度转换成补偿电压，另一方面又通过模数转换器将热电势和补偿电压转换为代表温度的数字量, 将二者相加后从串行接口输出测量结果，即为实际温度数据。主要包括温度采集电路、MAX6675温度转换电路、数码管显示电路等。其系统框图如图2。 图2：集成电路温度补偿方案
测温的模拟电路是把当前K型热电偶传感器的电阻值，转换为容易测量的电压值，经过放大器放大信号后送给A/D转换器把模拟电压转为数字信号，再传给单片机AT89S51，单片机再根据公式换算把测量得的温度传感器的电阻值转换为温度值，并将数据送出到数码管进行显示。 综合对比以上两种方案，方案一电路复杂，且测量不精确照成误差较大，方案二采用集成温度转换芯片不仅能很好的解决冷端温度补偿及温度数值化问题，并消除由热电偶非线性而造成的测量误差,且精确度高，可实现电路的优化设计。故最后采用方案二。 二、传感器的选择: 物体的冷热水平可以通过温度来衡量，从分子水平看，又可以表示物体分子运动状态，温度越高，分子运动越猛烈。物体温度改变后显示出的一些特点只可以由温度间接测量。最基本的环境方法——温度，对周边环境会产生重要影响、和人们的衣食住行、农业生产等方面密不可分。温度的测量在工业、农业生产中必不可少，在工业生产中甚至需要时刻观察温度的变化。所以通过对温度的测量和测温设备的研究具有非比寻常的意义。 在社会生产力的不断提高下，对温度测量系统收集的温度数据方法要求越来越高，已经渗透到社会方方面面。温度的测量主要应用于工业、农业这两大领域。在这两大领域中，无论是机械的正常运转还是农作物的蓬勃生长，都离不开温度的测量。在工业生产中，由于生产环境的限制，员工不可长时间停留观察设备运行正常或因为其他原因不能在现场。这是找到最佳的方式收集数据的迫切需要，将数据发送到一个比较好操作的控制室，便于工作人员对数据的分析与处理；在农业生产上，对温室大棚的温度监测，以前都是选择分区取样的人工处理方式，工作辛苦，精确度不高。而且在实际操作中，因为大棚的诸多环境限制因素，例如占地面积广、测量点分散而且数目多，所以这种测量方式已经被淘汰。当前的科技水平下，为了取得更大的效益促使我们必须找到一种精确、简便易行的温度采集测量方法。在科学技术的不断发展下，现代社会对各种参数：准确度和精密度的要求有一个几何增长。在以此基础上，如何快速、准确获取这些参数需要依
热电偶温度传感器信号调理电路设计与仿真
目录 第1章绪论 (1) 1.1 课题背景与意义 (1) 1.2 设计目的与要求 (1) 1.2.1 设计目的 (1) 1.2.2 设计要求 (1) 第2章设计原理与内容 (2) 2.1 热电偶的种类及工作原理 (3) 2.1.1热电偶的种类 (3) 2.1.2工作原理分析 (4) 2.2 设计内容 (4) 2.2.1 总体设计 (4) 2.2.2 原理图设计 (5) 2.2.3 可靠性和抗干扰设计 (7) 第3章器件选型与电路仿真 (8) 3.1 器件选型说明 (8) 3.2 电路仿真 (8) 第4章设计心得与体会 (9) 参考文献 (10) 附录1：电路原理图 (11) 附录2：PCB图 (11) 附录3：PCB效果图 (11)
第1章绪论 1.1 课题背景与意义 温度是一个基本的物理量，在工业生产和实验研究中，如机械、食品、化工、电力、石油、等领域，温度常常是表征对象和过程状态的重要参数，温度传感器是最早开发、应用最广的一类传感器。本设计中正是关于温度的测量，采用热电偶温度测量具有很多的好处，它具有结构简单，制作方便，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。 同时，热电偶作为有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常在日常生活中被应用，如测量炉子，管道内的气体或液体温度及固体的表面温度。热电偶作为一种温度传感器，通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。热电偶可直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。 1.2 设计目的与要求 1.2.1 设计目的 (1) 了解常用电子元器件基本知识（电阻、电容、电感、二极管、三极管、集成电路）； (2) 了解印刷电路板的设计和制作过程； (3) 掌握电子元器件选型的基本原理和方法； (4) 了解电路焊接的基本知识和掌握电路焊接的基本技巧； (5) 掌握热电偶温度传感器信号调理电路的设计，并利用仿真软件进行电路的调试。 1.2.2 设计要求 选用热电偶温度传感器进行温度测量，要求测温范围100-300℃、精度为0.1℃。设计传感器的信号调理电路，实现以下要求： （1）将传感器输出4.096-12.209mV的信号转换为0-5V直流电压信号； （2）对信号调理电路中采用的具体元器件应有器件选型依据； （3）电路的设计应当考虑可靠性和抗干扰设计内容； （4）电路的基本工作原理应有一定说明； （5）电路应当在相应的仿真软件上进行仿真以验证电路可行性
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
目录 1 热电偶温度传感器的技术参数 (1) 1.1 热电偶、热电阻分度号 (1) 2 热电偶温度传感器的工作原理 (1) 2.1 温度传感器热电阻测温原理及材料 (2) 2.2.温度传感器热电阻的结构 (2) 3 热电偶温度传感器的基础指标 (2) 3.1 接触热电动势 (2) 3.2 温差电动势 (3) 3.3 热电偶回路总电动势 (3) 4 热电偶温度传感器的设计指标 (3) 5 热电偶温度传感器的静态指标及动态指标 (4) 5.1 静态指标 (4) 5.2 动态指标 (5) 6 热电偶温度传感器的静态及动态测试方法 (6) 6.1 静态测试方法 (6) 6.2 动态测试方法 (7) 7 热电偶温度传感器的安全性及可靠性分析 (7) 7.1 误差来源分析 (7) 7.2 补偿方法研究 (8) 参考文献 (9)
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
热电偶温度传感器如何正确安装和使用
热电偶温度传感器如何正确安装和使用 西安静敏机电设备有限公司在安装和使用热电偶温度传感器时，应当注意以下事项以保证最佳测量效果： 1、安装不当引入的误差 如热电偶安装的位置及插入深度不能反映炉膛的真实温度等，换句话说，热电偶不应装在太靠近门和加热的地方，插入的深度至少应为保护管直径的8～10倍；热电偶的保护套管与壁间的间隔未填绝热物质致使炉内热溢出或冷空气侵入，因此热电偶保护管和炉壁孔之间的空隙应用耐火泥或石棉绳等绝热物质堵塞以免冷热空气对流而影响测温的准确性；热电偶冷端太靠近炉体使温度超过100℃；热电偶的尽可能避开强磁场和强电场，所以不应把热电偶和动力电缆线装在同一根导管内以免引入干扰造成误差；热电偶不能安装在被测介质很少流动的区域内，当用热电偶测量管内气体温度时，必须使热电偶逆着流速方向安装，而且充分与气体接触。 2、绝缘变差而引入的误差 如热电偶绝缘了，保护管和拉线板污垢或盐渣过多致使热电偶极间与炉壁间绝缘不良，在高温下更为严重，这不仅会引起热电势的损耗而且还会引入干扰，由此引起的误差有时可达上百度。 3、热惰性引入的误差 由于热电偶的热惰性使仪表的指示值落后于被测温度的变化，在进行快速测量时这种影响尤为突出。所以应尽可能采用热电极较细、保护管直径较小的热电偶。测温环境许可时，甚至可将保护管取去。由于存在测量滞后，用热电偶检测出的温度波动的振幅较炉温波动的振幅小。测量滞后越大，热电偶波动
的振幅就越小，与实际炉温的差别也就越大。当用时间常数大的热电偶测温或控温时，仪表显示的温度虽然波动很小，但实际炉温的波动可能很大。为了准确的测量温度，应当选择时间常数小的热电偶。时间常数与传热系数成反比，与热电偶热端的直径、材料的密度及比热成正比，如要减小时间常数，除增加传热系数以外，最有效的办法是尽量减小热端的尺寸。使用中，通常采用导热性能好的材料，管壁薄、内径小的保护套管。在较精密的温度测量中，使用无保护套管的裸丝热电偶，但热电偶容易损坏，应及时校正及更换。 4、热阻误差 高温时，如保护管上有一层煤灰，尘埃附在上面，则热阻增加，阻碍热的传导，这时温度示值比被测温度的真值低。因此，应保持热电偶保护管外部的清洁，以减小误差。
热电阻热电偶温度传感器校准实验
热电阻热电偶温度传感器校准实验
湖南大学实验指导书 课程名称：实验类型： 实验名称：热电阻热电偶温度传感器校准实验 学生姓名：学号：专业： 指导老师：实验日期：年月日 一、实验目的 1.了解热电阻和热电偶温度计的测温原理 2.学会热电偶温度计的制作与校正方法 3.了解二线制、三线制和四线制热电阻温度测 量的原理 4.掌握电位差计的原理和使用方法 5.了解数据自动采集的原理 6.应用误差分析理论于测温结果分析。 二、实验原理 1.热电阻 (1) 热电阻原理 热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。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。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，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。常用铂电阻和铜电阻，铂电阻在0—630.74℃以内，电阻Rt与温度t的关系为： Rt=R (1+At+Bt2)
R 0系温度为0℃时的电阻，铂电阻内部引线方 式有两线制，三线制，和四线制三种，两线制中引线电阻对测量的影响最大，用于测温精度不高的场合，三线制可以减小热电阻与测量仪之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误 差。四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响，用与高精度温度检测。本实验是三线制连接，其中一端接二根引线主要是消除引线电阻对测量的影响。 (2) 热电阻的校验 热电阻的校验一般在实验室中进行，除标准铂电阻温度计需要作三定点，（水三相点，水沸点和锌凝固点）校验外，实验室和工业用的铂或铜电阻温度计的校验方法有采用比较法两种校验方法。比较法是将标准水银温度计或标准铂电阻温度计与被校电阻温度计一起插入恒温水浴中，在需要的或规定的几个稳定温度下读取标准温度计和被校验温度计的示值并进行比较，其偏差不超过最大允许偏差。在校验时使用的恒温器有冰点槽，恒温水槽和恒温油槽，根据所校验的温度范围选取恒温器。比较法虽然可用调整恒温器温度的方法对温度计刻度值逐个进行比较校验，但所用的恒温器规格多，一般实验室多不具备。因此，工业电阻温度计可用两点法进行校验，即只校验R0与R100/ R0两个参数。这种校验方法只需要有冰点槽和水沸点槽，分别在这两个恒温槽中测得被校验电阻温度计的电阻R0 和R100，然后检查R0 值和R100/R0 的比值是否满足规定的技术数据指标，以确定温度计是否合格。 (3) 热电阻的类型 1）普通型热电阻。从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，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。
热电偶温度传感器
热电偶温度传感器 热点偶温度传感器将被测温度转换为毫伏级热电势信号输出。热电偶温度传感器通过连接导线与显示仪表（如电测仪表）相连测温系统，实现远距离温度自动检测量、显示或记录、报警及温度控制等，热电偶本身虽然不能直接指示温度值，但习惯上称为热电偶温度计。 热电偶温度传感器的敏感元件是热电偶。热电偶由两根不同的导体或半导体一段焊接或铰接而成。组成热电偶的两根导体或半导体称为热电极；焊接的一端称为热电偶的热端，又称测量端、工作端；与导线连接的一端称为热点偶的冷端，又称参考端、自由端。 热电偶的热端一般要插入需要测温的生产设备中，冷端置于生产设备中，冷端置于生产设备外，如果两端所处温度不同，则测温回路中会产生热电势E。在冷端温度保持不变的情况下，用显示仪表测得E的数值后，便可知道被测温度的大小。 由于热电偶的性能稳定，结构简单、使用方便、测温范围广、具有较高的准确度，信号可以远传，所以在工业生产和科学实验中应用十分广泛。 一、热电偶测温原理 把两种不同的导体或半导体两端相接组成闭合回路，当两接点分别置于量中不同温度时，则在回路中就会产生热电势，形成回路电流。这种现象称塞贝效应，即热电偶是基于热点效应而工作的。 1.热电势的产生 热点偶回路产生的热电式由接触电势和温差电势两部分组成，下面以导体为例说明热电式的产生。温差电势；同一根导体两端处于不同温度，导体中会产生温势。 2.热电偶的基本定律 使用热电偶测温，要应用以下几条基本定律为理论依据。 二、热电极材料及常用热电偶 □热点极材料的要求 任何不同的导体或半导体构成均可以产生热电效应，但并非所有导体或半导体均可作为热点极来组成热电偶，必须对它们进行严格选择。作为热点极的材料应满足如下基本要求。 1）在测温范围内，材料的热电性能不随时间而变化，即热电特性的稳定。2）在测温范围内，电极材料有足够的物理、化学稳定性、不易被氧化和腐蚀。3）在测温范围内，单位温度变化引起的热电势变化要足够大，使测温系统具有较高灵敏度。4）热电势与温度关系具有单调性，最好呈线性或近似线性关系，便于仪表具有均匀刻度。5）材料复现性好，便于大批生产和互换。6）材料组织均匀（为匀质），机械性能好，易加工成丝。7）材料的电阻温度系数小，电阻率要降低。
铂热电阻温度传感器测温电路
铂热电阻温度传感器测温电路 时间：2010-01-10 15:08:48 来源：深圳作者：徐明发 使用运算放大器和铂测温电阻温度检测电路 1，测温电阻转换电路 测温电阻是利用电阻值随温度变化的器件，在金属中，JIS规定了铂测温电阻、铜测温电阻的标准。而且，由0℃时的电阻值R0和t℃时的电阻值Rt之比(R t/R0)求温度t。在任意t℃时的电阻值R t为 R t=R0{1+a(t-t0)} (1) 这里，a是温度系数，铂为0.003916，铜为0.004250。 测温电阻的电阻值，在0℃用100Ω或50Ω。 铜测温电阻的温度系数不随温度变化，所以不需要线性补偿。但是缺点是能够使用的最高温度低，约为120℃。 铂测温电阻适合于±200℃左右比较低温的温度测定由于精度好，多被采用。但是，电阻温度系数稍有些非线性，所以需要进行线性补偿。 可是铂测温电阻的温度-电阻特性为饱和型，特性式为 R t＝R0（1+AT+BT2）（2） 的高次式。 2，测温电阻的线性补偿 图1表示铂（P t）测温电阻的温度－电阻特性是饱和型，所以关于线性补偿不需要使用热电偶那样的折线逼近电路和高次函数发生电路，对高温度可用提高输出电平那样的电路来实现。 图2表示测温电阻转换器的基本电路。在这个电路中E为基准电压，输出电压E0电压可以用 （3） 表示。R4是测温电阻的电阻值。 在测温（R4）流过的电流，JIS规定为10，5，2mA。这在测量测温电阻的电阻值时，由于测量电流而产生I2R的焦尔热，成为测定误差，不可忽视，所以规定了测定电流的上限。 测定电流小，焦尔热的产生少，输出电压也小，所以还必须考虑下级的放大器精度。 可是，在（3）式中，如果将E、R1、R2、R3一定，则产生对应于R4＝R t变化的输出电压E0。 选择R1＝R2，R3＝R4＝100Ω，如果R4电流5mA左右，设E为10V，从下式 （4） R1为2.4Ω。但是，图2的基本电路为反相电路，所以产生负的输出电压。 在图3中对基本电路为的下一级设计了反相放大电路，并设计了在0℃为0V的零调整和增益调整的电位器。 基准电源E使用温度变化小的。在图3中，使用温度系数小的（±50ppm/℃)TL430。 这个电路没有进行线性补偿，所以对大范围的温度测量误差大，不实用。但是，测温电阻的温度－电阻特性，如上所示，有随温度上升变化达到饱和的特性，因此，利用正反馈可以进行线性补偿。 图4是使用正反馈进行线性补偿的电路，由于把约4%左右的电压进行正反馈，如图5所示那样，在0～500℃的测温范围内，可进行线性补偿到0.4℃以内的精度。 可是，在用微机管理温度这样的模拟信号场合，要用A－D转换器读出输出电压，进行数据处理。测温电阻的线性补偿可以用软件进行比较简单地处理。所以，在考虑系统整体时，需要考虑用硬件进行或用软件进行的问题。 图1 铂测温电阻的温度-电阻特性非线性图2 测温电阻的基本电路
热电偶传感器的基本原理.
热电偶温度传感器将被测温度转化为mV级热电动势信号输出，属于自发电型传感器，测温范围为-270—1800℃。测温时需将热电偶通过连接导线与显示仪表相连接组成测温系统，实现远距离温度自动测量、显示、记录、报警和控制等，图1.1所示的温度检测系统应用非常广泛。 1．热电效应 将两种不同的导体或半导体两端相接组成闭合回路，如图1.2所示，当两个接点分别置于不同温度t、t0(t>t0)中时，回路中就会产生一个热电动势，这种现象称为热电效应。两种导体称为热电极，所组成的回路称为热电偶，热电偶的两个工作端分别称为热端和冷端。 图1.1热电偶测温系统示意图图1.2热电偶回路 热电偶回路产生的热电动势由接触电动势和温差电动势两部分组成，下面以导体为例说明热电动势的产生。 (1) 接触电动势 当A, B两种不同导体接触时，由于两者电子密度不同（设NA>NB) ，从A扩散到B的电子数要比从B扩散到A的电子数多，于是在A、B接触面上形成了一个由A到B的静电场。该静电场的作用一方面阻碍了A导体电子的扩散运动，同时对B导体电子的扩散运动起促进作用，最后达到动态平衡状态。这时A, B接触面所形成的电位差称为接触电动势，其大小分别用e AB(t)、e AB(to)表示。 接触电动势的大小与接点处温度高低和导体的电子密度有关。温度越高，接触电动势越大；两种导体电子密度的比值越大，接触电动势越大。 (2) 温差电动势 将一根导体的两端分别置于不同的温度t、to (t>to)中时，由于导体热端的自由电子具有较大的动能，使得从热端扩散到冷端的电子数比从冷端扩散到热端的多，于是在导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场。与接触电势形成原理相同，在导体两端产生了温差电动势，分别用e A(t，to）、e B(t，to)表示。 温差电动势的大小与导体的电子密度及两端温度有关。 2．热电偶回路总热电动势 热电偶回路的总热电动势包括两个接触电动势和两个温差电动势，即 E AB(t，to)=e AB(t)-e AB(to)-e A(t，to)+e B(t，to) （1.1） 由于热电偶的接触电动势远远大于温差电动势，且t＞to，所以总热电动势的方向取决于e AB(t)，故式(2.1)可以写为 E AB(t，to)=e AB(t)-e AB(to) （1.2） 显然，热电动势的大小与组成热电偶的导体材料和两接点的温度有关。热电偶回路中导体电子密度大的称为正极，所以A为正极，B为负极。 当热电偶两电极材料确定后，热电动势便是两接点温度t和to的函数差，即 E AB(t，to)=f(t)-f(to) （1.3） 如果使冷端温度to保持不变，热电动势就成为热端温度t的单一函数，即 E AB(t，to)=f(t)-C=φ(t) （1.4）