热电偶温度传感器的制作

摘要：温度传感器在工业生产和生活中发挥着越来越多的作用，其中以铜-康铜为代表的热电偶传感器因为其稳定可靠、灵敏度高、制作成本低等优点而被广泛应用。通过选择材料对比方案制作了铜-康铜热电偶传感器，并通过实验测量了所做温度传感器的特性曲线，与理论值进行了比较，实验值与理论值具有共同的趋势。
引言
　　温度与我们每个人息息相关。在生物学中，温度的高低直接决定了生物体的生命活动状态。在工农业生产、科学研究过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。在钢花四溅的炼钢车间，要想多出钢、出好钢，就必须对炉温进行实时测量和有效控制；在现代化大型温度里，要想四季收获新鲜蔬菜和良种，就必须对温度进行监视和及时的调制。在我们的日常生活中，温度的测量也占有十分重要的地位。其中，热电偶温度传感器由于具有灵敏度高、可靠性强、抗震抗摔、互换性好以及适于远距离测量和自动控制等优点，被广泛应用于制冷、化工、食品、轻工、农业科学研究等领域，在现代社会科学中大放异彩。本课题将制作一种接触式的热电偶温度传感器，用来对一些精度要求不高的温度行进测量。
一、基本原理
　　两种不同的导体两端相互紧密的连接在一起，组成一个闭合回路，如图1所示，当导体两端的温度不等时，回路中就会产生电动势，从而形成热电流。这一现象称为热电效应。回路中产生的电动势称为热电势。
 
 
　　通常把上述两种不同导体的组合称为热电偶，称A、B两导体为热电极。两个接点中，一个为工作端或热端，测量时将它置于被测温度场中；另一个叫自由端或冷端，
一般要求恒定在某一温度。
　　下面说明由于两端温度不同而产生热电势的原理。在图1所示的热电偶回路中，所产生的热电势是由接触电势和温差电势组成的。其中，接触电势是主要部分。接触电势产生的原因基于不同导体的自由电子密度不同。当两种不同的导体A、B紧密连接在一起时，在A、B的接触处就会产生电子的扩散。设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度，那么在单位时间内，由导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数多。这时，导体A因失去电子而带正电，导体B因得到电子而带负电，于是在接触表面上便会形成一个电场，在A、B之间形成一个电位差，即电动势。这个电动势将阻碍电子由导体A向导体B的进一步扩散。当电子的扩散作用与阻碍扩散的作用相等时，接触处自由电子的扩散便达到了动态平衡。这种由于两种导体自由电子密度不同而在其接触处形成的电动势，称为接触电势。热电势的另一个组成部分温差电势则是由于在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。
　　由于产生的热电势与两接点的温度差有关，必须先固定冷端的温度才能确立热电势与测温端温度的对应关系。目前规定冷端在零摄氏度时给出热端温度与热电势的数值对照表称为标准分度表。用热电偶测温时，如冷端保持零摄氏度，则测得的热电势可通过查表得出所测温度。在实际使用中要保持冷端温度为零摄氏度是不方便的，如果以室温作为冷端温度测温，则需要进行补偿。
 
　　如图2所示，由于热电偶的材料一般都比较贵，当测量点到仪表之间距离较远时，为了降低成本，通常在热电偶冷端接点上用补偿导线（第三导体）将热电势接入仪表。可以证明，热电偶的热电势在引入的补偿导线两端温度相等时，不会因此而受到影响。
二、设计思路
　　在综合考虑了传感器的灵敏度、实验现象是否明显、制作成本等现实情况之下，打算采用铜—康铜这两种金属来制作热电偶传感器。因为铜—康铜两种金属材料在-200～400℃范围内其温差电势与温度之间存在着良好的线性关系（如图3），在±100℃的范围内具有优秀的测量结果。
 
　　所谓铜—康铜热电偶（如图4），是指它的正极是纯铜，负极是铜镍合金（Cu55%，Ni45%），通常称作康铜。
 
　　虽然理论上任何铜丝和康铜丝都可以用来制作热电偶，但在实际情况中，考虑到现实中的可行性和可用性，对构成热电偶正极和负极铜丝和康铜丝的材料必须认真选择。首先为了保证良好的测量效果，必须要选择均匀质地的材料；其次，考虑到机械强度、韧性、绝缘性能、实际测量接口大小、价格等多方面因素，综合以上考虑，可以选择直径在0.5mm左右的塑膜漆包铜丝和漆包康铜丝作为热电偶的制作材料。为了达到较远的测量距离，可以采用铜导线或铁丝作为第三导体[2]。
　　待热电偶的基本制作完成后，则还需要进行测量电路的设计。这是由于如果仅通过热电偶本身的电压变化来测定温度的话，由于改变量通常较小，在实际的测量过程中无法进行精准的测量。所以，通常情况下都会先对热电偶的输出电压进行放大后再进行测量[3]。这可以采用运算放大器来对输出的电压进行放大，但要注意的是，测量所用的运算放大器的漂移必须要很小，以免干扰测量结果。放大电路的示意图如图5所示：
 
放大电路的增益：
A1=R2/R1=10
A2=R6/R5=20
A=A1A2=10·20=200
　　此放大电路通过两级放大，可以使输入电压VT被放大200倍。在具体的测量过程中也可根据所测温度值的大小对通过RW1对放大倍数进行调整。
　　前面已经说过，若在室温下使用热电偶进行温度的测量，则需要对冷端进行温度补偿。这里，为了减少具体操作过程中可能会产生的误差，我们决定采用计算修正法对冷端温度进行补偿。根据公式
EAB（T，T0）=EAB（T，TH）+EAB（TH，T0）
　　可以计算出在实际室温情况下冷端的实际温度。其中TH表示冷端的实际温度，T代表待测温度，T0代表的温度是标准的0℃。这里需要用到两次分度表，这样可以计算出热电势所对应的热端温度值。
三、测量结果与分析
 
　　从以上的实测数据和图6中的曲线可以看出，本次实验的测量值与分度表的标准值相差较大，但欣慰的是，实验所测得的值依旧呈现出一定的线性趋势性。
 
　　在本次设计实验中，并未能完全按照之前所设计的实验执行实验方案。其原因主要有以下几点，这也是实验的测量结果与设计实验中的分度表数据产生差值的原因：
1）康铜难以买到，以至于做实验时实际所用的两种金属材料分别为铜和铜锰镍合金。
2）实验中的模拟电压放大电路所放大的电压实际放大倍数大约为120倍左右。
3）在进行温度电压测量的过程中，并没有能使温度保持完全恒定的装置，故在实际测量过程中的温度值并非恒定正确值。
4）由于测量仪器的精度所限，所测得的读数不是很正确。
5）在放大电路上所产生的误差，自制的放大电路并不稳定，在放大电压的过程中必然会产生误差。
6）由于两种金属之间的结合程度所带来的误差。
四、进一步改进方案
　　有了此次制作热电传感器的经验，若想将此传感器进一步改进。可以采取以下的措施让实验完美：
1）选用标准的热电偶材料与其标准分度表进行对照。
2）采用恒温箱恒定所测温度。
3）重复进行多次实验并用计算机进行数据处理以尽可能的减小误差。