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1、金爬粵更HEFEIUNIVERSITY自动检测技术Project2-—热电偶传感器的应用及发展专业班级姓名完成时间系别电子信息与电气工程系自动化09自动化1班王杰、王典、方来红2011年11月30日热电偶传感器浅谈摘要:简要说明了电容式传感器的工作原理和简单定律。重点说明了一种基于偏置模式的热电偶用V-PWM转换器的设计方法和应用电路。最后说明了传感器的发展趋势。关键词:偏置模式、热电偶、V-PWM转换器、线路简单正文:一、电容式传感器介绍:1热电偶工作原理如果两种不同成分的均质导体形成回路,直接测温
2、端叫测量端,接线端子端叫参比端,当两端存在温差时,就会在回路中产生电流,那么两端之间就会存在Seebeck热电势,即塞贝克效应。热电势的大小只与热电偶导体材质以及两端温差有关,与热电偶导体的长度、直径无关.<:〉热电偶冋路热电偶示意图1-热电偶2-连接导线3-显示仪表图1热电偶具有构造简单、适用温度范围广、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;但其信号输出灵敏度比较低,容易受到环境干扰信号和前置放大器温度漂移的影响,因此不
3、适合测量微小的温度变化。2热电偶性能和参数1)热响应时间在温度出现阶跃变化时,热电偶的输出变化至阶跃变化值的50%所需要的时间称为热响应时间,用T0.5表示。2)公称压力一般是指在工作温度下保护管所能承受的静态外压而不破裂,实际上,公称压力不仅与保护管材料、直径、壁厚有关,述与其结构形式、安装方法、置入深度以及被测介质的流速和种类等有关。3)热屯偶最小置入深度应不小于其保护管外径的8〜10倍(特殊产品例外)3热电偶基本定律(一)中间导体定律由导体A、B组成的热电偶回路,当引入第三种导体C时,只要保持第
4、三种导体C两端的温度相同,引入导体C后对冋路总电势无影响,即回路中总的热电势与引入第三导体无关,这就是中间导体定律。根据这一定律,如果需要在回路中引入多种导体,只要保证引入的导体两端温度相同,均不会影响热电偶回路中的热电势,根据此定律可以在回路中方便地连接齐种导线及显示仪表。图2•有中间导体的热电偶回路(-)均质导体定律由一种均匀介质导体组成的闭合回路,不论导体的截面、长度以及各处的温度分布如何,均不产生热电势。该定律说明:如果热电偶的两根热电极是由两种均质导体组成,那么热电偶的热电势仅与两接点温度有
5、关,与沿热电极的温度分布无关。如果热电极为非均质导体,当处于具有温度阶梯的情况时,将会产生附加电势,引起测量谋差。所以,热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的主要指标Z一O(三)屮间温度定律在热电偶测温冋路中,常会遇到热电极的中间连接问题,如果连接点的温度为tn,连接导体A,或W的热电特性相同,则总的热电势等于热电偶与连接导体的热电势的代数和。EaBBzAf(t,tn,to)=EAB(t,tn)+Ea5(tn,to)根据这定律,在实际测温中按照现场的安装情况,可以连接热电特性相同的导体A,或W,起到延长
6、热电极的作用,以适合不同的安装要求。图4•中间温度回路(四)标准电极定律如果导体A、B分别与第三导体C组成热电偶,他们的测量端温度均为I,参考端温度均为tO产牛的热电势分别为EAC(t,tO)和EBC(t,tO),由导体A、B组成的热电偶产生的热电势可以按下式计算Eab(t,to)=Eac(t,to)-Ebc(t,to)=Eac(t,to)+Ecb(t,to)这里采用的导体c称为标准电极,一般所用材料为纯钳,因为钳容易提纯,物理化学性质稳定,熔点较高,这种方法大大方便了热电偶的选配工作,只要知道某些材
7、料与标准电极相配的热电势,就可以由上述定律求出任何两种材料组成热电偶的热电势。4热电偶的分度规格及特性表二、热电偶的应用(偏置模式的热电偶用V-PWM转换器)热电偶作为测温元件,其结构简单、制造容易、使用方便、测温精度较高,可就地测量和远传。在工作时,只要与显示仪表配合即可测量气体、液体、固体的温度。热电偶可以用来测量-200〜1600°C范围内的温度,有些热电偶甚至可测2000°C以上温度。所以热电偶是使用较广泛的测温元件之一。但其热电偶的缺点是其输出热电势很微弱,且具有非线性特性、使用时需进行冷端
8、补偿。因此使用热电偶作为测温元件时,需要高放大倍数进行放大后,利用A/D转换器进行模数转换,供单片机处理,因此所用器件多、成本高。文屮提出了一种采用偏置方式的V-PWM转换模式,即利用简单的恒流源把输入电压转换成电流后对电容充电,从而获得PWM波形。由于恒流源木身具有很高的转换系数,无需进行放大,同时完成电压放大及脉宽转换,配合AT89C2051单片机,可设计出性能稳定、转换精度高、电路简单、成本低的宽范圉温度控制器。偏置模式的热电偶用V-PWM转换器的