第9章 温度测量-热电式传感器.ppt

热电式传感器 热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置 在各种热电式传感器中 以把温度转换成电势和电阻的方法最为普遍 其中最常用的是热电偶和热电阻 热电偶是将温度变化转换为电势变化 热电阻是把温度变化转换为电阻值的变化 这两种热电式传感器目前已经在工业生产中得到了广泛的应用 热电偶 1 热电偶测温原理 两种不同的导体 或半导体 A和B连接成一个闭合回路 如图所示 当两接点温度不同时 则在该回路中就会产生电动势 这种现象称为热电效应 该电动势称为热电势 常常也称为塞贝克电势 这两种不同的导体 或半导体 的组合称为热电偶 温度高的接点称为热端 或测量端 测温时把它置于被测介质中 温度低的接点称为冷端 或自由端 测温时作为参考端 热电势由两部分组成分别是 由珀尔帖 Peltier 效应引起的接触电势和由汤姆逊 Thomson 效应引起的温差电势 注意 接触电势温差电势 接触电势是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 当两者接触时 在接触面上就会发生电子扩散 其扩散是由电子密度大的导体向电子密度小的导体扩散 在接触处失去电子的带正电 得到电子的带负电 从而形成稳定的接触电势 温差电势是指一种导体因两端温度不等而产生的一种热电势 同一种导体两端温度不同时 高温端比低温端具有更大的自由电子能量 因此从高温端扩散到低温端的电子数比低温端扩散到高温端的电子数大 结果高温端失去电子带正电 低温端获得电子带负电 从而在导体两端形成一个电势差 称为温差电势 导体与组成热电偶闭合回路时 热电偶中总的热电势为 在总热电势中 温差电势跟接触电势相比小得多 故可忽略不计 从而热电势可表示为 对于实际中利用热电偶测温时 其参考端温度一般是恒定的 即 则总热电势只与被测温度成一一对应的函数关系 即 实际应用中 由于不同的热电偶其温度与热电势之间有不同的函数关系 一般是用实验方法来求取这个函数关系 通常是令 然后在不同的测量端温度下精确地测出回路中总热电势 并将所测得的结果绘成如图所示的曲线 或列成表格 常常称为热电偶分度表 以供在使用的时候查阅 2 热电偶基本定律 用热电偶测温时 还要掌握热电偶的一些基本定律 下面我们就对常用的基本定律作一些介绍 1 导体定律 均匀回路定律 化学成分相同的均质材料组成的热电偶 即使两个接点的温度不同 回路中的总热电势也等于零 利用热电偶的这一定律还可以判断两种导体材料是否相同 2 中间导体定律在热电偶中接入第三种材料 只要接入材料两端的温度相同 对热电偶的总热电势没有影响 注意 如果接入第三种材料的两端温度不等 将会引起热电偶回路中的总热电势发生变化 故在利用热电偶测温时 一定要尽量保证接入的导线和仪表其在两端接点温度相同 否则测试结果会不准确 3 中间温度定律 热电偶AB在接点温度为 时的热电势等于该热电偶在接点温度为 和 时相应的热电势的代数和 即 该定律是参考端温度计算修正法的理论依据 实际中利用热电偶测温时 参考端温度常常不为 可以利用热电偶的此定律进行热电势修正 4 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势已知 就可得知则此两种导体组成热电偶的热电势 如图所示 AC AB和BC三个热电偶 其接点温度一端为 另一端为 若已知热电偶AB AC所形成的热电势 即 结论 由此可见 当任一电极B C 与一标准电极A组成热电偶所产生的热电势为已知时 就可以利用上式求出这些电极按任意组合而成热电偶时的热电势 3 常用热电偶 根据热电势形成理论可知 任何不同材料的导体都可以组成热电偶 但为了准确可靠地测量温度 热电偶的材料选择必须有严格的要求 工程上实用的热电偶应该线性度好 稳定性好 互换性强 响应快 以及便于加工 实际上并非所有的材料都能满足上述要求 故目前国际上公认的比较好的热电材料只有几种 国际电工委员会 IEC 向世界各国推荐8种标准热电偶 我国从1988年开始采用IEC标准生产热电偶 目前工业上常用的有四种标准化热电偶 4 热电偶的结构形式 为了适应不同生产对象的测温要求 热电偶常见的结构形式有普通型热电偶 铠装型热电偶和薄膜热电偶等 1 普通型热电偶普通型热电偶结构的热电偶在工业上使用最多 它通常由热电极加上绝缘套 保护套和接线盒构成 安装连接时 可采用螺纹或者法兰方式连接 根据使用条件 可制成密封式普通型或高压固定螺纹型 2 铠装型热电偶 所谓铠装型热电偶就是在类似铠甲保护作用的铠装套与热电偶丝之间填充氧化镁和氧化铝等保护物而构成的热电偶 这种类型的热电偶具有好的抗腐蚀 抗氧化和抗振性能 在目前工业测温和控制系统中已得到广泛的应用 3 薄膜热电偶 薄膜热电偶是用真空蒸镀 化学涂层等方法将热电偶材料蒸镀到绝缘基板上面而制成的热电偶 由于热电偶可以做到很很薄 厚度可达 测表面温度时不影响被测表面的温度变化 其本身热电容量小 动态响应快 故适合于测量微小面积和瞬时变化的温度 除此之外 还有用于测量圆弧形固体表面温度的表面热电偶和用于测量液态金属温度的浸入式热电偶等 5 热电偶参考端的补偿 理论上 对某一热电偶来讲 热电偶产生的热电势与被测温度应该呈单值函数关系 但实际中参考端的温度并不是保持恒定 而是在缓慢变化 同时热电偶的分度表是以冷端为零度作为基准进行分度的 而实际中参考端的温度往往并不为零度 因此为了准确获得被测端的温度 我们必须对参考端进行修正或温度补偿 工程中常见的修正或补偿主要有下面几种方法 1 冷端恒温方式把冰屑和清凉的水相混合 放在保温瓶中 这样使其温度保持在0 C 然后把热电偶的参考端置于其中 这时热电偶输出的热电势符合分度表的对应关系 这种方法适合用于实验室 2 热电偶导线补偿在工业测温中 被测点与控制或显示仪表之间往往有很长的距离 同时为了避免参考端温度受被测点温度变化的影响 也需要使热电偶的参考端远离测量端 但是一般由于热电偶材料较昂贵 热电偶尺寸不能过长 一般只有1米左右 为了解决这一问题 一般用专用导线把热电偶的参考端延伸出来 这样 可以保证热电偶的自由端远离工作端并被放置在温度波动较小的地方 补偿导线法中 补偿导线较便宜 且可做成普通导线的形式 使用方便 是热电偶安装中经常采用的方法 注意 补偿导线与热电偶配用时 需有相同的热电特性 且有正负极之分 即补偿导线的正负极应与热电偶的正负极相接 补偿导线与热电偶接点处的温度不应超过100 C 否则会因热电特性不同带来新的误差 3 参考端温度自动补偿法 工业中 常常采用参考端温度自动补偿法 这种方法就是在热电偶和测量仪表间接入一个不平衡直流电桥 也称为温度补偿器 来补偿参考端温度不为0或变化而引起热电势的变化 当参考端温度升高 导致回路中总电势降低时 温度补偿器此时受参考端的变化产生一个正电势 其值正好等于热电偶降低的电势 两者互相抵消而达到自动补偿的目的 反之亦然 电桥的四个桥臂分别由三个温度系数较小锰铜丝绕制的电阻 以及具有正温度系数且系数较大的铜丝绕制的可调电阻和稳压电源构成 补偿器在工作时与热电偶在参考端处于同一环境 工程中一般设计为电桥在处于平衡 应用时 只要适当选择桥臂电阻和电源电压 同时调节电阻 就可以使电桥产生的不平衡电压补偿