Transcript 第七章热电偶传感器
第七章 热电偶传感器 将温度的变化转换为电压的变化 第一节 热电偶传感器的工作原理 热电偶工作原理 热电效应 • 将两种不成分的导体组成一个闭合回路，将闭合回路的两 个接点分别置于不同的温度场中时，回路中将产生一个电 动势。即为热电效应。 • 两种导体组成的回路称为热电偶。 • 两种导体称为热电极。 • 热电效应产生的电动势称为热电势。 • 热电效应与热电极的材料和两接点的温度有关。 • 热电偶的两个接点，一个称为工作端或热端，另一个称为 自由端或冷端。 • 热电势由接触电动势和温差电动势两部分组成。 第一节 热电偶传感器的工作原理 接触电动势 • 当A、B两种不同的材料的导体接触时，由于电子浓度不 同而产生电子的扩散，在A、B两导体的接触处就产生了 接触电动势。 • 接触电动势的大小与导体的材料、接点的温度有关，与导 体的几何尺寸无关。 • 接触电动势用eAB(t)表示导体A、B接点温度为t时的接触 电动势。 温差电动势 • 当导体 两端分别置于不同的温度场中时，导体的两端产生 了一个由热端指向冷端的静电场，这样导体两端产生了电 位差，即为温差电动势。 • 用eA(t,t0)来表示导体A在两端温度为t、t0时的温差电动势。 第一节 热电偶传感器的工作原理 热电偶回路的总电动势 • 导体A和B组成的热电偶回路中存在两个接触电动势和两 个温差电动势。 • 温差电动势的总电动势为： • EAB(t,t0) = eAB(t) - eAB(t0) +eA(t,t0) - eB(t,t0) • 实践证明，两个温差电动势抵消后可以忽略。在热电偶回 路中起主要作用的是接触电动势。 • 故 EAB(t,t0) = eAB(t) - eAB(t0) • 热电偶回路的 热电动势的大小，只与组成热电偶的导体材 料和两接点的温度有关，而热电偶的形状尺寸无关。 EAB(t,t0) = f(t) – f(t0) 如果保持冷端温度不变，只要测量出热电势便可得到势端温 度。 第一节 热电偶传感器的工作原理 热电偶分度表 • 令冷端为温度t0=0,然后在不同的温差情况下，精确地测量 出回路的总热电势的表格。 热电偶的基本定律 均质导体定律 • 如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论丙接点的 温度如何，热电动势均为零。 中间导体定律 • 在热电偶中接入第三种导体，只要两接点的温度相同，则 回路中的热电动势不变。 • 根据该定律可知，在热电偶中接入测量仪表后，其总热电 动势不变。 第一节 热电偶传感器的工作原理 标准电极定律 • 如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热 电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电 动势也就已知。 中间温度定律 • 热电偶在两接点的温度t、t0时的热电动势等于该热电偶在 接点温度为t 、tn和tn 、t0时的相应电动势的代数和。 • EAB(t,t0) = EAB(t,tn) + EAB(tn,t0) • 为补偿导线的使用提供了理论依据。 • 若热电偶的两热电极被两根导体延长，只要接入的两根导 体组成热电偶的热电特性与被延长的热电偶的热电特性相 同，且它们之间连接的两接点的温度相同，则总回路中的 热电动势与连接点的温度无关，只与延长后的热电偶两端 温度有关。 第二节 热电偶的材料、结构及种类 热电偶材料 用作热电极的材料应具备的条件： • 温度测量范围广 • 性能稳定 • 物理化学性能好 共有六个品种 • 铜-康铜 镍铬-考铜 镍铬-镍硅 镍铬-镍铝 • 铂铑10—铂 铂铑30 -铂铑6 热电偶结构 普通工业热电偶的结构 • 热电极 普通金属丝：直径0.5—3.2mm, 贵金属丝：0.3—0.6mm 长度：300mm—2000mm,常用的长度为350mm. 第二节 热电偶的材料、结构及种类 • 绝缘管 热电极从绝缘管 中穿过，用于热电极之间和热电极与保护 套管之间绝缘保护。 • 保护套管 • 接线盒 铠装热电偶 • 将热电极、绝缘材料和保护套管一起拉制后加工而成的坚 实缆状组合体。 热电偶的种类 铂铑30 -铂铑6热电偶 • 热电偶的分度号为B。正极为铂铑30 ，负极为铂铑6。 • 测温范围为0～1700°C • 精度高、价格贵，常用作高温测量。 第二节 热电偶的材料、结构及种类 铂铑30 -铂铑6热电偶 • 热电偶的分度号为S。正极为铂铑10 ，负极为铂。 • 测温范围为0～1600°C • 热电性能稳定精度高、价格贵，常用作标准热电偶或高温 测量。 镍铬-镍硅热电偶 • 热电偶的分度号为K。正极为镍铬，负极为镍硅。 • 测温范围为-200～1200°C • 测温范围宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大 及价格低。 • 热电性能稳定性较B性、S性差。 • 应用最广泛。 第二节 热电偶的材料、结构及种类 镍铬-康铜热电偶 • 热电偶的分度号为E。正极为镍铬，负极为铜镍合金。 • 测温范围为-200～900°C • 热电势大。 铁-康铜热电偶 • • • • 热电偶的分度号为J。正极为铁，负极为铜镍合金。 测温范围为-200～750°C 热电势大。 铁极易氧化。 铜-康铜热电偶 • • • • 热电偶的分度号为T。正极为铜，负极为铜镍合金。 测温范围为-200～350°C 测温精度高 铜在高温时极易氧化，一般用于低温测量。 第二节 热电偶的材料、结构及种类 非标准型热电偶 铂铑系列、铱铑系列、钨铼系列热电偶，主要用于 高温测量。 第三节 热电偶的冷端补偿 • 热电偶产生的热电势与两端温度有关，为了准确的测量温 度，必须将热电偶冷端温度固定。 • 热电偶的分度表中冷端参考温度为0℃ ，最理想的情况是 冷端温度为0℃ 。 • 实际使用中，热电偶冷端靠近被测对象，其温度不是恒定 不变的，因此必须采取相应的措施进行补偿和修正。 冷端恒温法 • 0 ℃ 恒温器 将热电偶的冷端置于温度为0℃ 的恒温器内（冰水混合物）。 通常用于实验室。 • 其他恒温器 将冷端温度固定，然后对热电偶进行冷端温度修正。 补偿导线法 • 补偿导线：与热电偶电极材料不同的导线，但在0～150 ℃温度 范围内与配接的热电偶具有一致的热电特性，但价格便宜。 第三节 热电偶的冷端补偿 • 利用补偿导线将热电偶的冷端延伸到恒温的场所（仪表室） 其实质相当于热电偶的延长。 • 根据中间温度定律，只要热电偶和补偿导线的两个接点的 温度相同，输出的热电动势不变。 • 举例说明 计算修正法 • 尽管冷端温度保持恒定，但如果冷端温度不为0℃ ，因此 必须对温度进行修正。 • EAB(t, 0℃ ) = EAB(t,t1) + EAB(t1, 0℃ ) • 其中和t热端被测温度，t1为冷端温度， EAB(t,t1)热电偶实 际测量到的热端t和冷端t1的热电动势， EAB(t1, 0℃ )为在分 度表上查得的热端t1和冷端0℃的热电动势, EAB(t, 0℃ ) 为 修正后的热端t和冷端0℃的热电动势。 • 例 第三节 热电偶的冷端补偿 电桥补偿法 • 利用不平衡电桥产生的电动势自动补偿热电偶因冷端波动 引起的热电动势的变化 • DBW型温度变送器的温度补偿 显示仪表零位调整法 • 如果热电偶的冷端温度恒定且已知时，可预先将有零位调 整的仪表的指针从刻度初始值调至已知的冷端温度值上， 这时显示仪表的示值即为被测量的实际值。 第四节 热电偶的测温线路 测量某一点的温度 测量两点之间的温度差 将两支型号相同热电偶反向串联，所得到的热电动 势的差值反映了两支热电偶热端的温差。 热电偶并联线路 测量多点的平均温度 热电偶串联线路