熱電偶溫度傳感器的制作

摘要：溫度傳感器在工業生產和生活中發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定可靠、靈敏度高、制作成本低等優點而被廣泛應用。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。在生物學中，溫度的高低直接決定了生物體的生命活動狀態。在工農業生產、科學研究過程中，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間，要想多出鋼、出好鋼，就必須對爐溫進行實時測量和有效控制；在現代化大型溫度里，要想四季收獲新鮮蔬菜和良種，就必須對溫度進行監視和及時的調制。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控制等優點，被廣泛應用于制冷、化工、食品、輕工、農業科學研究等領域，在現代社會科學中大放異彩。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，組成一個閉合回路，如圖1所示，當導體兩端的溫度不等時，回路中就會產生電動勢，從而形成熱電流。這一現象稱為熱電效應。回路中產生的電動勢稱為熱電勢。
 
 
　　通常把上述兩種不同導體的組合稱為熱電偶，稱A、B兩導體為熱電極。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生熱電勢的原理。在圖1所示的熱電偶回路中，所產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，在A、B的接觸處就會產生電子的擴散。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，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體A向導體B的進一步擴散。當電子的擴散作用與阻礙擴散的作用相等時，接觸處自由電子的擴散便達到了動態平衡。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體的兩端因其溫度不同而產生的一種熱電勢。
　　由于產生的熱電勢與兩接點的溫度差有關，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系。目前規定冷端在零攝氏度時給出熱端溫度與熱電勢的數值對照表稱為標準分度表。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，當測量點到儀表之間距離較遠時，為了降低成本，通常在熱電偶冷端接點上用補償導線（第三導體）將熱電勢接入儀表。可以證明，熱電偶的熱電勢在引入的補償導線兩端溫度相等時，不會因此而受到影響。
二、設計思路
　　在綜合考慮了傳感器的靈敏度、實驗現象是否明顯、制作成本等現實情況之下，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℃范圍內其溫差電勢與溫度之間存在著良好的線性關系（如圖3），在±100℃的范圍內具有優秀的測量結果。
 
　　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，考慮到現實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，必須要選擇均勻質地的材料；其次，考慮到機械強度、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。為了達到較遠的測量距離，可以采用銅導線或鐵絲作為第三導體[2]。
　　待熱電偶的基本制作完成后，則還需要進行測量電路的設計。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行精準的測量。所以，通常情況下都會先對熱電偶的輸出電壓進行放大后再進行測量[3]。這可以采用運算放大器來對輸出的電壓進行放大，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所測溫度值的大小對通過RW1對放大倍數進行調整。
　　前面已經說過，若在室溫下使用熱電偶進行溫度的測量，則需要對冷端進行溫度補償。這里，為了減少具體操作過程中可能會產生的誤差，我們決定采用計算修正法對冷端溫度進行補償。根據公式
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
 
　　從以上的實測數據和圖6中的曲線可以看出，本次實驗的測量值與分度表的標準值相差較大，但欣慰的是，實驗所測得的值依舊呈現出一定的線性趨勢性。
 
　　在本次設計實驗中，并未能完全按照之前所設計的實驗執行實驗方案。其原因主要有以下幾點，這也是實驗的測量結果與設計實驗中的分度表數據產生差值的原因：
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大約為120倍左右。
3）在進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，所測得的讀數不是很正確。
5）在放大電路上所產生的誤差，自制的放大電路并不穩定，在放大電壓的過程中必然會產生誤差。
6）由于兩種金屬之間的結合程度所帶來的誤差。
四、進一步改進方案
　　有了此次制作熱電傳感器的經驗，若想將此傳感器進一步改進。可以采取以下的措施讓實驗完美：
1）選用標準的熱電偶材料與其標準分度表進行對照。
2）采用恒溫箱恒定所測溫度。
3）重復進行多次實驗并用計算機進行數據處理以盡可能的減小誤差。