传感器4_7章热电式传感器2.ppt

传感器技术及应用,热电式传感器,2,热电偶,工作原理,-,热电效应,工作定律,均值导体定律,中间导体定律,连接导体定律,-,补偿导线,中间温度定律,-,分度表,参考电极定律,热电偶传感器,热电偶材料,标准热电偶,热电偶产品型号,热电偶结构,热电偶的温度补偿,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,传感器技术及应用,机械,08,2010,2011,第二学期,2011,年,3,月,7.2,热电偶传感器,热电阻与热电偶的区别,第一，信号的性质不同，温度的变化，使热电阻产生电阻值变化；使热电偶产生感应电压的变化。,第二，检测的温度范围不一样，热电阻是低温检测（,0-150,度），热电偶是高温检测（,0-1000,度）。,第三，从材料上分，热电阻是一种金属材料，热电偶是双金属材料。,7.2,热电偶传感器,一、工作原理,热电效应,两种不同材料,A,、,B,组成闭合回路，,两节点,AB,1,，,AB,2,处于不同温度,T,和,T,0,，,回路中形成一,热电势,和相应的热电流,i,，,该现象称为,热电效应,7.2.1,热电偶工作原理及其工作定律,热电势,由两部分组成：,温差电势,和,接触电势,。,1.,接触电势,E,AB,(,T,),A,、,B,两种金属在温度,T,时的接触电势；,接触电势的大小与,温度,T,高低及,两种导体,中的电子密度,N,A,、N,B,间差异有关。,T,E,AB,(T),+,B,A,N,A,N,B,1,、接触电势,两种材料之间,2.,温差电势,同一材料两端,E,A,(,T,，,T,0,),导体,A,两端温度为,T,、,T,0,时形成的温差电动势；,T,，,T,0,高低端的绝对温度；,A,E,A,(,T,T,o,),T,T,0,3.,回路总电势,E,AB,(T,，,T,0,),=E,AB,(T),E,AB,(T,0,),E,A,(T,T,0,),E,B,(T,T,0,),考虑温差电势较接触电势可忽略不计,有：,E,AB,(T,，,T,0,)=E,AB,(T),E,AB,(T,0,),二、热电耦工作定律,（一）,均质导体定律,构成热电偶的基本定律,（二）,中间导体定律,热电偶测量的基本定律,（三）,连接导体定律,电路中应用补偿导线节约贵金属,（四）,中间温度定律,计算修正的依据,（五）,参考电极定律,热电偶选配依据,(,一,),均质导体定律,（,1,）由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流,(,即不产生电动势,),；,T,T,0,A,A,热端,冷端,T,T,0,A,B,热端,冷端,反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，,即,热电偶必须采用两种不同材料作为电极。,（,2,）当材料（,A,，,B,）一定时，,热电势 仅与热电偶两端点温度有关：,E,AB,(T,，,T,0)=E,AB,(T),E,AB,(T,0,),若使,E,AB,(T,0,)=C,时,，则：,E,AB,(T,，,T,0,)=E,AB,(T),C,f(T),即,热电势为热端温度,T,的单值函数,，这就是,热电偶测温原理,T,T,0,A,B,热端,冷端,（二）中间导体定律,1,）一个由,几种,不同,导体材料,连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的,接点温度相同,，则此,回路,各接点产生的,热电势,的代数和,为零,。,0,E,总,E,AB,(T),E,BC,(T),E,CA,(T),三个接触点温度相同,2,）将,A,、,B,构成的热电偶的,T,0,端断开，接入第三种导体,C,，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体,C,后对回路总电动势无影响。,E,ABC,(T,，,T,0,),E,AB,(T),E,BC,(T,0,),E,CA,(T0),E,AB,(T),E,AB,(T,0,),E,ABC,(T,，,T0),E,AB,(T,，,T0),等温区接入导体不影响总电动势,图示：第三种材料接入热电偶回路的两种情况,图,b,，在材料,A,中加入第三导体,C,，使,C,两端点温度相同为,T,2,，不影响原回路总电势。,E,AB,(,T,1,T,0,)=,E,AB,(,T,1,)-,E,AB,（,T,0,）,T,0,T,1,2,3,A,B,E,AB,T,2,C,T,0,(c),图,c,，在,AB,右节点加入第三导体,C,，不影响原回路总电势。,E,AB,（,T,1,T,0,）,=,E,AB,（,T,1,）,-,E,AB,（,T,0,）,(b),T,0,T,1,A,B,C,E,AB,A,T,2,T,2,(a),T,0,T,1,B,A,E,AB,意义：,可以在热电偶回路中接入电位计,E,，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等。,(,三）,连接导体定律,E,ABBA,（,T,，,T,n,，,T,0,）,E,AB,（,T,）,E,BB,（,T,n,）,E,BA,（,T,0,）,E,AA,（,T,n,）,E,AB,（,T,）,E,B A,（,T,0,）,E,BB,（,T,n,）,E,AA,T,n,）,在热电偶回路中，,接入,连接导线,A,、,B,，,各接点温度为：,T,T,n,T,0,则回路总电势为,E,B A,（,T,0,）,0,0,是运用补偿导线进行测温的理论基础,应用：补偿导线原理,引入与,A,、,B,同样热电特性,的,材料,(,即补偿导线,)A,、,B,则回路总电动势不变，仍为,E,ABBA,（,T,1,，,T,n,，,T,0,）,E,AB,(,T,1,),E,AB,(,T,0,)=,E,AB,(,T,1,，,T,0,),即：接入,AB,后,不管接点温度,T,n,如何变化，都不影响总热电势。,这便是引入,补偿导线原理,。,B,A,B,T,1,T,n,T,n,A,E,T,0,例,热电偶补偿导线知识,由于,热电偶,的材料一般都比较,贵重,（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的,距离都很远,，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用,补偿导线,把热电偶的冷端（自由端）,延伸,到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。,补偿导线类型,1,延长型补偿导线,又称延长型导线，其合金丝的名义,化学成分,及,热电动势标称值,与配用的热电偶,相同,。,2.,补偿型补偿导线,又称补偿型导线，其合金丝的名义,化学成,分与配用的热电偶,不同,，但其热电动势值在,0,100,或,0,200,时与配用热电偶的热,电动势标称值相同,。,（四）中间温度定律,对于材料,A,、,B,，,若已知热电势,E,AB,(,T,1,T,0,),、,E,AB,(,T,0,T,2,),B,T,0,T,1,A,A,B,B,A,T,2,则：,E,AB,（,T,1,T,2,）,=,E,AB,（,T,1,T,0,）,+,E,AB,（,T,0,T,2,）,或：,E,AB,（,T,1,T,2,）,=,E,AB,（,T,1,T,0,）,E,AB,（,T,2,T,0,）,应用：热电偶分度表,在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。,表,分度表中，参考端温度为,:0,摄氏度,当冷端温度,T,0,0,时，,E,AB,(T,，,T,0,),是热电偶热端,T,对于,0,和冷端,T,0对于,0,时的热电势之差,B,AB,(T,，,T,0,),E,AB,(T,，,0,）,E,AB,(T,0,，,0),热电势单位：,V,例,1,例,2,例：用分度号为,K,的镍铬,-,镍硅热电偶测量温度，在没有采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为,500,，而这时冷端温度为,60,。,试问：实际温度应,T,为多少？,E,（,60,，,0,）,E,（,T,，,60,）,60,T,E,（,T,，,0,）,0,E,（,500,，,0,）,2.436mv,23.076mv,E,（,557,，,0,）,20.64mv,E,（,T,，,0,）,E,（,T,，,60,）,E,（,60,，,0,）,T,为,557,表,1,表,2,如果热端温度不变，设法使冷端温度保持在,20,，此时显示仪表的指示值应为多少？,显示仪表指示值应为,538.4,。,显示误差为,18.6,E,（,557,，,0,）,0,E,（,0,，,20,）,557,E,（,557,，,20,）,20,E,（,538.4,，,0,）,0.798mV,23.076mv,22.278mV,E,（,T,，,0,）,E(557,，,20,）,=E,（,557,，,0,）,E,（,20,，,0,）,表,1,表,2,(,五）参考电极定律,如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，,T,0,T,E,AC,(,T,T,0,),A,C,T,0,T,E,CB,(T,T,0,),C,B,T,0,T,E,AB,(T,T,0,),A,B,它们相互间热电势的关系为：,E,AB,（,T,T,0,）,=,E,AC,（,T,T,0,）,E,BC,（,T,T,0,）,意义：方便热电偶的配选工作。,由各种材料,A,、,B,与标准电极,C,（铂）组成的热电偶分度表，,可求出任何二种材料电极,A,、,B,组成的热电偶产生的热电势。,在工艺制作上，大大方便了热电偶的配选工作。,例题,3,：,铜,-,铂构成热电偶在（,100,，,0,）下热电动势为,0.75mV,；,康铜,-,铂构成热电偶在（,100,，,0,）下热电动势为,3.35mV,；,问铜,-,康铜构成热电偶时在（,100,，,0,）下热电动势为多少？,0,100,铜,铂,E,铜,-,铂,(100,0),0.75mV,铂,康铜,E,康铜,-,铂,(100,0),3.35mV,E,铜,-,康铜,(100,0),康铜,铜,4.10mV,7.2.2,热电偶传感器,一、热电偶材料,1,、热电偶材料应满足：,物理性能稳定，热电特性不随时间改变；,化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；,热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；,便于制造；,复现性好，便于成批生产。,2,、标准热电偶：,标准热电偶,：指国家,标准规定了,其热电势与温度的关系、,允许误差,、并有统一的,标准分度表,的热电偶。,有相应的,分度表、线性化集成电路,。,有,与其,配套的显示仪表,可供选用。,我国从,1991,年开始采用（,ITS-90,）新标准，共有,八种,标准化了的,通用热电偶,B,、,R,、,S,、,K,、,N,、,E,、,J,、,T,，写在前面的热电极为正极，写在后面的为负极。,八种国际通用热电偶特性表,名 称,分度号,测温范围,/,C,100,C,时的,热电势,/mV,1000,C,时的,热电势,/mV,铂铑,30,-,铂铑,6,B,50,1820,0.033,4.834,铂铑,13,-,铂,R,-50,1768,0.647,10.506,铂铑,10,-,铂,S,-50,1768,0.646,9.587,镍铬,-,镍硅,K,-270,1370,4.096,41.276,镍铬硅,镍硅,N,-270,1300,2.744,36.256,镍铬,铜镍,（康铜）,E,-270,800,6.319,铁,铜镍,（康铜）,J,-210,760,5.269,铜,铜镍,（康铜）,T,-270,400,4.279,热电偶产品型号,（,1,）普通热电偶,（,2,）薄膜热电偶,二、热电偶的结构,（,3,）铠装热电偶,将热电极、绝缘材料和金属保护套管加工成一个坚实的整体，经复合拉伸后形成的热电偶；,细：一般直径为,1,8,mm,；,长：长度一般为,1,20m,；,（,4,）表面热电偶温度计凸型：,固体平面温度测量,2.,弓型：,固体圆形、球形表面温度测量,3.,针形：,导电固体表面温度测量,热电偶产品,热电偶、热电偶插件、,温度变送器,安装形式,热电偶温度计,三、热电偶的温度补偿,原因,为保证输出热电势是被测温度,T,的单值函数，必须使冷端温度,T,0,保持恒定；,热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度,0,为依据。,方法：,0,恒温法,计算修正法,补正系数法,冷端补偿器法,软件处理法,1,、,0,恒温法（,冰点槽法）,把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里。这种办法仅限于科学实验中使用。,mV,A,B,A,B,T,C,C,仪表,铜导线,试管,补偿导线,热电偶,冰点槽,冰水溶液,T,0,修正值,2,、修正值,2.,计算修正法,以普通室温为参考端实际温度,T,n,，利用公式计算,E,AB,(,T,0,),=E,AB,(,T,T,n,),+E,AB,(,T,n,0,),1,、测得值,3,、查表值,3.,补正系数法,参考端实际温度,t,n,乘上系数,k,，加到由,E,AB,(,t,，,t,n,),E,AB,(,t,1,，,0,),查分度表所得的温度上,t,1,，成为被测温度,t,。用公式表达即,t,t,1,k t,n,例：已知参考端温度为,30,，镍铬考铜热电偶测得温度,600,。,查表,7,5,，对应于,600,的补正系数,k,=0.78,则被测温度：,t,=600,0.7830,623.4,（）,4,、延伸热电极法,补偿导线法,用补偿导线将显示,/,测量仪表位置延伸到远离被测点的冷端。,注意：,型号、极性,随着热电偶的标准化，补偿导线也形成了,标准系列,。国际电工委员会,也制定了国际标准，适合于标准化热电偶使用,5,、补偿电桥法,-,冷端温度自动补偿法,桥臂电阻,：,R,4,较,R,1,，,R,2,，,R,3,的温度系数大，,冷端温升时,：,R,4,增大，使,U,ab,增大,补偿热电耦电势,Ex,的减小,保持回路总输出电势,U,AB,不变,输出信号：,U,AB,=,Ex+,U,ab,热电偶测温电路,作业：,7-4,利用热电偶测温必须具备哪两个条件,7-8,热电式传感器除了用来测量温度外，是否还有其它用途？举例说明？,7-9,实验室备有铂铑,-,铂热电偶、铂电阻器和半导体热敏电阻器，今欲测量某设备外壳的温度，已知其温度,300400C,，要求精度达,2C,，问应选哪一种？为什么？,The end,