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)揮著越來越多的作用，其中以銅-康銅為代表的熱電偶傳感器因為其穩(wěn)定可靠、靈敏度高、制作成本低等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。通過選擇材料對比方案制作了銅-康銅熱電偶傳感器，并通過實驗測量了所做溫度傳感器的特性曲線，與理論值進(jìn)行了比較，實驗值與理論值具有共同的趨勢。
引言
　　溫度與我們每個人息息相關(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狀態(tài)。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究過程中，溫度是需要測量和控制的重要參數(shù)之一。在鋼花四濺的煉鋼車間，要想多出鋼、出好鋼，就必須對爐溫進(jìn)行實時測量和有效控制；在現(xiàn)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(jiān)視和及時的調(diào)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(qiáng)、抗震抗摔、互換性好以及適于遠(yuǎn)距離測量和自動控制等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于制冷、化工、食品、輕工、農(nóng)業(yè)科學(xué)研究等領(lǐng)域，在現(xiàn)代社會科學(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(dǎo)體兩端相互緊密的連接在一起，組成一個閉合回路，如圖1所示，當(dāng)導(dǎo)體兩端的溫度不等時，回路中就會產(chǎn)生電動勢，從而形成熱電流。這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)?；芈分挟a(chǎn)生的電動勢稱為熱電勢。
 
 
　　通常把上述兩種不同導(dǎo)體的組合稱為熱電偶，稱A、B兩導(dǎo)體為熱電極。兩個接點中，一個為工作端或熱端，測量時將它置于被測溫度場中；另一個叫自由端或冷端，
一般要求恒定在某一溫度。
　　下面說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(dǎo)體的自由電子密度不同。當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體A、B緊密連接在一起時，在A、B的接觸處就會產(chǎn)生電子的擴(kuò)散。設(shè)導(dǎo)體A的自由電子密度大于導(dǎo)體B的自由電子密度，那么在單位時間內(nèi)，由導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的電子數(shù)要比導(dǎo)體B擴(kuò)散到導(dǎo)體A的電子數(shù)多。這時，導(dǎo)體A因失去電子而帶正電，導(dǎo)體B因得到電子而帶負(fù)電，于是在接觸表面上便會形成一個電場，在A、B之間形成一個電位差，即電動勢。這個電動勢將阻礙電子由導(dǎo)體A向?qū)wB的進(jìn)一步擴(kuò)散。當(dāng)電子的擴(kuò)散作用與阻礙擴(kuò)散的作用相等時，接觸處自由電子的擴(kuò)散便達(dá)到了動態(tài)平衡。這種由于兩種導(dǎo)體自由電子密度不同而在其接觸處形成的電動勢，稱為接觸電勢。熱電勢的另一個組成部分溫差電勢則是由于在同一導(dǎo)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(yīng)關(guān)系。目前規(guī)定冷端在零攝氏度時給出熱端溫度與熱電勢的數(shù)值對照表稱為標(biāo)準(zhǔn)分度表。用熱電偶測溫時，如冷端保持零攝氏度，則測得的熱電勢可通過查表得出所測溫度。在實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(bǔ)償。
 
　　如圖2所示，由于熱電偶的材料一般都比較貴，當(dāng)測量點到儀表之間距離較遠(yuǎn)時，為了降低成本，通常在熱電偶冷端接點上用補(bǔ)償導(dǎo)線（第三導(dǎo)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(bǔ)償導(dǎo)線兩端溫度相等時，不會因此而受到影響。
二、設(shè)計思路
　　在綜合考慮了傳感器的靈敏度、實驗現(xiàn)象是否明顯、制作成本等現(xiàn)實情況之下，打算采用銅—康銅這兩種金屬來制作熱電偶傳感器。因為銅—康銅兩種金屬材料在-200～400℃范圍內(nèi)其溫差電勢與溫度之間存在著良好的線性關(guān)系（如圖3），在±100℃的范圍內(nèi)具有優(yōu)秀的測量結(jié)果。
 
　　所謂銅—康銅熱電偶（如圖4），是指它的正極是純銅，負(fù)極是銅鎳合金（Cu55%，Ni45%），通常稱作康銅。
 
　　雖然理論上任何銅絲和康銅絲都可以用來制作熱電偶，但在實際情況中，考慮到現(xiàn)實中的可行性和可用性，對構(gòu)成熱電偶正極和負(fù)極銅絲和康銅絲的材料必須認(rèn)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(jī)械強(qiáng)度、韌性、絕緣性能、實際測量接口大小、價格等多方面因素，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(dá)到較遠(yuǎn)的測量距離，可以采用銅導(dǎo)線或鐵絲作為第三導(dǎo)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(shè)計。這是由于如果僅通過熱電偶本身的電壓變化來測定溫度的話，由于改變量通常較小，在實際的測量過程中無法進(jìn)行精準(zhǔn)的測量。所以，通常情況下都會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(jié)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
　　此放大電路通過兩級放大，可以使輸入電壓VT被放大200倍。在具體的測量過程中也可根據(jù)所測溫度值的大小對通過RW1對放大倍數(shù)進(jìn)行調(diào)整。
　　前面已經(jīng)說過，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(bǔ)償。這里，為了減少具體操作過程中可能會產(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(bǔ)償。根據(jù)公式
EAB（T，T0）=EAB（T，TH）+EAB（TH，T0）
　　可以計算出在實際室溫情況下冷端的實際溫度。其中TH表示冷端的實際溫度，T代表待測溫度，T0代表的溫度是標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的熱端溫度值。
三、測量結(jié)果與分析
 
　　從以上的實測數(shù)據(jù)和圖6中的曲線可以看出，本次實驗的測量值與分度表的標(biāo)準(zhǔn)值相差較大，但欣慰的是，實驗所測得的值依舊呈現(xiàn)出一定的線性趨勢性。
 
　　在本次設(shè)計實驗中，并未能完全按照之前所設(shè)計的實驗執(zhí)行實驗方案。其原因主要有以下幾點，這也是實驗的測量結(jié)果與設(shè)計實驗中的分度表數(shù)據(jù)產(chǎn)生差值的原因：
1）康銅難以買到，以至于做實驗時實際所用的兩種金屬材料分別為銅和銅錳鎳合金。
2）實驗中的模擬電壓放大電路所放大的電壓實際放大倍數(shù)大約為120倍左右。
3）在進(jìn)行溫度電壓測量的過程中，并沒有能使溫度保持完全恒定的裝置，故在實際測量過程中的溫度值并非恒定正確值。
4）由于測量儀器的精度所限，所測得的讀數(shù)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(wěn)定，在放大電壓的過程中必然會產(chǎn)生誤差。
6）由于兩種金屬之間的結(jié)合程度所帶來的誤差。
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)。可以采取以下的措施讓實驗完美：
1）選用標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶材料與其標(biāo)準(zhǔn)分度表進(jìn)行對照。
2）采用恒溫箱恒定所測溫度。
3）重復(fù)進(jìn)行多次實驗并用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以盡可能的減小誤差。