项目单元8 热电偶传感器--热水器加热炉温度检测单元设计制作

项目单元 8 热电偶传感器 -热水器加热炉温度检测单元设计制作8.1 项目描述8.2 相关知识8.3 热电式传感器认知8.4 项目参考设计方案8.5 项目实施8.1 项目描述 本项目单元即利用热电式传感器热电偶设计制作燃气热水器加热炉温度检测显示单元图 8.1燃气 热 水器的内部 结 构8.1.1 项目要求 1. 以热电偶为传感元件，将燃气热水器加热炉的温度转化为电压输出； 2. 测量电路能够将转换电压放大后再输出； 3. 能将输出电压转化为温度，并显示出来； 4. 要求使用 4位数码管显示温度； 5. 最终上交调试成功的试验系统 -燃气热水器加热炉温度检测显示单元； 6. 要求有每个步骤的文字材料，包括原理图、使用说明、元件清单、进程表、调试过程描述等。8.1.2 相关知识点分析 本单元具体知识点如下： 1. 了解温度的基本概念，以及各种温标； 2. 掌握热电式传感器的工作原理； 3. 掌握热电偶的热电效应和热电势的组成； 4. 理解并掌握热电偶测量温度过程中的基本定律； 5. 了解国际通用热电偶的类型、结构及其各自的使用特点； 6. 掌握热电偶的冷端延长和延长导线的类型，以及温度补偿的方法； 7. 了解金属热电阻的工作原理，掌握铜热电阻和铂热电阻的性能特点与应用； 8. 了解热敏电阻传感器的类型、构成和应用； 9. 了解集成温度传感器的测量原理，掌握其典型期间的使用方法。8.2 相关知识 8.2.1 温度测量的基本概念 1温度的基本概念 温度是表征物体冷热程度的物理量。温度的概念是以热平衡为基础的，如果两个相接处的物体温度不相同，它们之间就会产生热交换，热量将从温度高的物体向温度低物体传递，直到两个物体温度相同为止。 温度的微观概念是：温度标志着物质内部大量分子的无规则运动的剧烈程度。温度越高表示物体内部分子热运动越剧烈。 2温标 1）摄氏温标（ C） 摄氏温标把在标准大气压下冰的熔点定为零度（ 0C），把水的沸点定为 100度（ 100C）。在这两固定点间划分 100等分，每一等分为摄氏 1度，符号为 t。 2）华氏温标（ F） 它规定在标准大气压下，冰的熔点为 32F，水的沸点为 212F。在这两固定点间划分 180等分，每一等分为华氏 1度，符号为 。华氏温标与摄氏温标之间的关系为： / F=（ 1.8t / C +32 ） （ 8-1） 3）热力学温标（ K） 热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，由开尔文根据热力学定律提出来的，因此又成为开氏温标。其符号位 T，单位为开尔文（ K）。 t / C=T / K 273.15 （ 8-2） 或 T / K=t / C+273.15 （ 8-3） 3温度测量及传感器分类8.2.2 热电偶传感器的工作原理及实用电路 1热电偶工作原理 （ 1）热电效应 将两种不同成分的导体组成一闭合回路。当闭合回路的两个结点分别置于不同的温度场中时，回路中将产生一个电势，该电势的方向和大小与导体的材料及两结点的温度有关，这种现象称为 “热电效应 ”，两种导体组成的回路称为 “热电偶 ”，这两种导体称为 “热电极 ”，产生的电势则称为 “热电势 ”，热电偶的两个结点，一个称为工作端或热端，另一个称为自由端或冷端。 图 8.2 热电 偶回路原理 图接触电动势接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。两接点的接触电动势 eAB(T) 可表示为 含义：由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。eAB(T) A B 两材料在温度 T接触电动势T 接触处的绝对温度K 玻尔兹曼常数 (K=1.3810-23J/K)e 电子电荷 (e=1.610-19C)NA、 NB 热电极材料 A B的自由电子密度(2)温差电动势 温差电势A eA(T,To)ToT温差电势原理图机理：高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电， 低温端因获得多余的电子而带负电，在导体两端便形成温差电动势。 eA(T， T0) 导体 A两端温度为 T、 T0时形成的温差电动势；T， T0 高低端的绝对温度； A 汤姆逊系数，表示导体 A两端的温度差为 1 时所产生的温差电动势，例如在 0 时，铜的 =2V/ 。热电偶回路中产生的总热电势 eAB(T, T0)=eAB(T) eB(T,T0) eAB(T0) eA(T,T0) 忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为： 影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关两热电极相同材料时，总电动势为 0两接点温度相同时，总电动势为 0对于已选定的热电偶，当参考端温度 T0恒定时， eAB(T0)=c为常数，则总的热电动势就只与温度 T成单值函数关系，即 可见： 只要测出 eAB（ T,T0）的大小，就能得到被测温度 T，这就是利用热电偶测温的原理。 讨论在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。（ 1） 均质导体定律如果热电偶中的两个热电极材料相同，无论结点的温度如何，热电势为零。（ 2） 中间导体定律2. 热电偶基本定律eABC(t,to)=eAB(t)- eAB(to)= eAB(t,to) 若热电偶回路中插入中间导体 ,只要中间导体两端温度相同 ,则对热电偶回路总的热电动势无影响。 插入导体 C后的热电动势为：eABC(t,to)=eAB(t)+eBC(to)+eCA(to)eBC(to)+eCA(to)=- eAB(to)eABC(t,to)=eAB(t)- eAB(to)= eAB(t,to)应用：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。中间导体定律证明、应用测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路 同理，热电偶回路中插入多种导体后 ,只要保证插入导体两端测试相同 ,则对热电偶的电动势无影响。实际应用中用导体和显示仪表的连接均可看为中间导体。（ 3） 中间温度定律eAB(t,t0)=eAB(t,tn)+eAB(tn,t0) 在热电偶测温回路中， tn为热电极上某一点的温度，热电偶 AB在接点温度为 t、 t0时的热电势 eAB(t, t0)等于热电偶 AB在接点温度 t、 tn和 tn、 t0时的热电势 eAB(t, tn)和eAB(tn, t0)的代数和，即 中间温度定律 eAB(t,to)= eAB(t,tn)+ eAB(tn, to)=eAB(t)-eAB(tn )+eAB(tn)-eAB(t0)= eAB(t)- eAB(t0)= eAB(t,to)eAB(t,to)= eAB(t,tn)+ eAB(tn, to)中间温度定律证明中间温度定律的应用 根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体A和 B， 将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热电偶回路中应用 补偿导线 提供了理论依据。 该定律是 参考端温度计算修正 法的理论依据。在实际热电偶测温回路中 , 利用热电偶这一性质 , 可对参考端温度不为0 的热电势进行修正。热电偶的分度表 不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表。S型 (铂铑 10-铂 )热电偶分度表 （ 4） 标准 电极定律已知热电极 A B与参考电极 C组成的热电偶极点温度 (t,to)时的热电动势分别为 EAC(t,to) EBC(t,to)，则 A B 两热电极配对，热电动势EAB(t,to)计算为：标准 电极定律的意义 通常选用高纯铂丝作标准电极 只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出来。 为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构形式有：普通型热电偶特殊热电偶铠装型热电偶薄膜热电偶等。 3.热电偶的结构及材料普通型热电偶结构 优点 ：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上。 铠装型热电偶薄膜热电偶特点 ：热接点可以做得很小（ m），具有热容量小、反应速度快（ s）等特点，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。 热电极材料的选取 性能稳定 温度测量范围广 物理化学性能稳定 导电率要高，并且电阻温度系数要小 材料的机械强度要高，复制性好、复制工艺简单，价格便宜工程用热电偶材料应满足条件