熱電偶溫度傳感器的制作

摘要：溫度傳感器在工業(yè)生產(chǎn)和生活中發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越多的作用，其中以銅-康銅為代表的熱電偶傳感器因為其穩定可靠、靈敏度高、制作成本低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應用。通過(guò)選擇材料對比方案制作了銅-康銅熱電偶傳感器，并通過(guò)實(shí)驗測量了所做溫度傳感器的特性曲線(xiàn)，與理論值進(jìn)行了比較，實(shí)驗值與理論值具有共同的趨勢。
引言
　　溫度與我們每個(gè)人息息相關(guān)。在生物學(xué)中，溫度的高低直接決定了生物體的生命活動(dòng)狀態(tài)。在工農業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究過(guò)程中，溫度是需要測量和控制的重要參數之一。在鋼花四濺的煉鋼車(chē)間，要想多出鋼、出好鋼，就必須對爐溫進(jìn)行實(shí)時(shí)測量和有效控制；在現代化大型溫度里，要想四季收獲新鮮蔬菜和良種，就必須對溫度進(jìn)行監視和及時(shí)的調制。在我們的日常生活中，溫度的測量也占有十分重要的地位。其中，熱電偶溫度傳感器由于具有靈敏度高、可靠性強、抗震抗摔、互換性好以及適于遠距離測量和自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于制冷、化工、食品、輕工、農業(yè)科學(xué)研究等領(lǐng)域，在現代社會(huì )科學(xué)中大放異彩。本課題將制作一種接觸式的熱電偶溫度傳感器，用來(lái)對一些精度要求不高的溫度行進(jìn)測量。
一、基本原理
　　兩種不同的導體兩端相互緊密的連接在一起，組成一個(gè)閉合回路，如圖1所示，當導體兩端的溫度不等時(shí)，回路中就會(huì )產(chǎn)生電動(dòng)勢，從而形成熱電流。這一現象稱(chēng)為熱電效應?；芈分挟a(chǎn)生的電動(dòng)勢稱(chēng)為熱電勢。
 
 
　　通常把上述兩種不同導體的組合稱(chēng)為熱電偶，稱(chēng)A、B兩導體為熱電極。兩個(gè)接點(diǎn)中，一個(gè)為工作端或熱端，測量時(shí)將它置于被測溫度場(chǎng)中；另一個(gè)叫自由端或冷端，
一般要求恒定在某一溫度。
　　下面說(shuō)明由于兩端溫度不同而產(chǎn)生熱電勢的原理。在圖1所示的熱電偶回路中，所產(chǎn)生的熱電勢是由接觸電勢和溫差電勢組成的。其中，接觸電勢是主要部分。接觸電勢產(chǎn)生的原因基于不同導體的自由電子密度不同。當兩種不同的導體A、B緊密連接在一起時(shí)，在A(yíng)、B的接觸處就會(huì )產(chǎn)生電子的擴散。設導體A的自由電子密度大于導體B的自由電子密度，那么在單位時(shí)間內，由導體A擴散到導體B的電子數要比導體B擴散到導體A的電子數多。這時(shí)，導體A因失去電子而帶正電，導體B因得到電子而帶負電，于是在接觸表面上便會(huì )形成一個(gè)電場(chǎng)，在A(yíng)、B之間形成一個(gè)電位差，即電動(dòng)勢。這個(gè)電動(dòng)勢將阻礙電子由導體A向導體B的進(jìn)一步擴散。當電子的擴散作用與阻礙擴散的作用相等時(shí)，接觸處自由電子的擴散便達到了動(dòng)態(tài)平衡。這種由于兩種導體自由電子密度不同而在其接觸處形成的電動(dòng)勢，稱(chēng)為接觸電勢。熱電勢的另一個(gè)組成部分溫差電勢則是由于在同一導體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢。
　　由于產(chǎn)生的熱電勢與兩接點(diǎn)的溫度差有關(guān)，必須先固定冷端的溫度才能確立熱電勢與測溫端溫度的對應關(guān)系。目前規定冷端在零攝氏度時(shí)給出熱端溫度與熱電勢的數值對照表稱(chēng)為標準分度表。用熱電偶測溫時(shí)，如冷端保持零攝氏度，則測得的熱電勢可通過(guò)查表得出所測溫度。在實(shí)際使用中要保持冷端溫度為零攝氏度是不方便的，如果以室溫作為冷端溫度測溫，則需要進(jìn)行補償。
 
　　如圖2所示，由于熱電偶的材料一般都比較貴，當測量點(diǎn)到儀表之間距離較遠時(shí)，為了降低成本，通常在熱電偶冷端接點(diǎn)上用補償導線(xiàn)（第三導體）將熱電勢接入儀表?？梢宰C明，熱電偶的熱電勢在引入的補償導線(xiàn)兩端溫度相等時(shí)，不會(huì )因此而受到影響。
二、設計思路
　　在綜合考慮了傳感器的靈敏度、實(shí)驗現象是否明顯、制作成本等現實(shí)情況之下，打算采用銅—康銅這兩種金屬來(lái)制作熱電偶傳感器。因為銅—康銅兩種金屬材料在-200～400℃范圍內其溫差電勢與溫度之間存在著(zhù)良好的線(xiàn)性關(guān)系（如圖3），在±100℃的范圍內具有優(yōu)秀的測量結果。
 
　　所謂銅—康銅熱電偶（如圖4），是指它的正極是純銅，負極是銅鎳合金（Cu55%，Ni45%），通常稱(chēng)作康銅。
 
　　雖然理論上任何銅絲和康銅絲都可以用來(lái)制作熱電偶，但在實(shí)際情況中，考慮到現實(shí)中的可行性和可用性，對構成熱電偶正極和負極銅絲和康銅絲的材料必須認真選擇。首先為了保證良好的測量效果，必須要選擇均勻質(zhì)地的材料；其次，考慮到機械強度、韌性、絕緣性能、實(shí)際測量接口大小、價(jià)格等多方面因素，綜合以上考慮，可以選擇直徑在0.5mm左右的塑膜漆包銅絲和漆包康銅絲作為熱電偶的制作材料。為了達到較遠的測量距離，可以采用銅導線(xiàn)或鐵絲作為第三導體[2]。
　　待熱電偶的基本制作完成后，則還需要進(jìn)行測量電路的設計。這是由于如果僅通過(guò)熱電偶本身的電壓變化來(lái)測定溫度的話(huà)，由于改變量通常較小，在實(shí)際的測量過(guò)程中無(wú)法進(jìn)行精準的測量。所以，通常情況下都會(huì )先對熱電偶的輸出電壓進(jìn)行放大后再進(jìn)行測量[3]。這可以采用運算放大器來(lái)對輸出的電壓進(jìn)行放大，但要注意的是，測量所用的運算放大器的漂移必須要很小，以免干擾測量結果。放大電路的示意圖如圖5所示：
 
放大電路的增益：
A1=R2/R1=10
A2=R6/R5=20
A=A1A2=10·20=200
　　此放大電路通過(guò)兩級放大，可以使輸入電壓VT被放大200倍。在具體的測量過(guò)程中也可根據所測溫度值的大小對通過(guò)RW1對放大倍數進(jìn)行調整。
　　前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，若在室溫下使用熱電偶進(jìn)行溫度的測量，則需要對冷端進(jìn)行溫度補償。這里，為了減少具體操作過(guò)程中可能會(huì )產(chǎn)生的誤差，我們決定采用計算修正法對冷端溫度進(jìn)行補償。根據公式
EAB（T，T0）=EAB（T，TH）+EAB（TH，T0）
　　可以計算出在實(shí)際室溫情況下冷端的實(shí)際溫度。其中TH表示冷端的實(shí)際溫度，T代表待測溫度，T0代表的溫度是標準的0℃。這里需要用到兩次分度表，這樣可以計算出熱電勢所對應的熱端溫度值。
三、測量結果與分析
 
　　從以上的實(shí)測數據和圖6中的曲線(xiàn)可以看出，本次實(shí)驗的測量值與分度表的標準值相差較大，但欣慰的是，實(shí)驗所測得的值依舊呈現出一定的線(xiàn)性趨勢性。
 
　　在本次設計實(shí)驗中，并未能完全按照之前所設計的實(shí)驗執行實(shí)驗方案。其原因主要有以下幾點(diǎn)，這也是實(shí)驗的測量結果與設計實(shí)驗中的分度表數據產(chǎn)生差值的原因：
1）康銅難以買(mǎi)到，以至于做實(shí)驗時(shí)實(shí)際所用的兩種金屬材料分別為銅和銅錳鎳合金。
2）實(shí)驗中的模擬電壓放大電路所放大的電壓實(shí)際放大倍數大約為120倍左右。
3）在進(jìn)行溫度電壓測量的過(guò)程中，并沒(méi)有能使溫度保持完全恒定的裝置，故在實(shí)際測量過(guò)程中的溫度值并非恒定正確值。
4）由于測量?jì)x器的精度所限，所測得的讀數不是很正確。
5）在放大電路上所產(chǎn)生的誤差，自制的放大電路并不穩定，在放大電壓的過(guò)程中必然會(huì )產(chǎn)生誤差。
6）由于兩種金屬之間的結合程度所帶來(lái)的誤差。
四、進(jìn)一步改進(jìn)方案
　　有了此次制作熱電傳感器的經(jīng)驗，若想將此傳感器進(jìn)一步改進(jìn)?？梢圆扇∫韵碌拇胧┳寣?shí)驗完美：
1）選用標準的熱電偶材料與其標準分度表進(jìn)行對照。
2）采用恒溫箱恒定所測溫度。
3）重復進(jìn)行多次實(shí)驗并用計算機進(jìn)行數據處理以盡可能的減小誤差。