第九章 热电式传感器 电偶.ppt

第九章热电式传感器 热电式传感器是一种将温度转换为电量变化的装置 常用的装置有 热电偶热电阻晶体管和集成温度传感器 温度传感器的种类及特点 接触式温度传感器 非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线 从而测量物体的温度 可进行遥测 其制造成本较高 测量精度却较低 优点是 不从被测物体上吸收热量 不会干扰被测对象的温度场 连续测量不会产生消耗 反应快等 接触式温度传感器的特点 传感器直接与被测物体接触进行温度测量 由于被测物体的热量传递给传感器 降低了被测物体温度 特别是被测物体热容量较小时 测量精度较低 因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大 非接触式温度传感器 9 1热电偶温差热电偶 简称热电偶 是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一 它除具有结构简单 测量范围宽 准确度高 热惯性小 输出信号为电信号 便于远传或信号转换等优点外 还能用来测量流体的温度 测量固体以及固体壁面的温度 微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量 9 1 1热电偶的工作原理一 热电效应 两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路 若导体A和B的连接处温度不同 设T T0 则在此闭合回路中就有电流产生 也就是说回路中有电动势存在 这种现象叫做热电效应 这种现象早在1823年首先由赛贝克 See beck 发现 所以又称赛贝克效应 回路中所产生的电动势 叫热电势 热电势由两部分组成 即接触电势 珀尔帖效应 和温差电势 汤姆孙效应 热端 冷端 1 珀尔帖效应 接触电势 eAB T 导体A B结点在温度T时形成的接触电动势 e 单位电荷 e 1 6 10 19C k 波尔兹曼常数 k 1 38 10 23J K NA NB 导体A B在温度为T时的电子密度 接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关 A eA T To To T 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 2 V 2 汤姆孙效应 温差电势 温差电势原理图 由导体材料A B组成的闭合回路 其接点温度分别为T T0 如果T T0 则必存在着两个接触电势和两个温差电势 回路总电势 T0 T eAB T eAB T0 eA T T0 eB T T0 A B 3 回路总电势 NAT NAT0 导体A在结点温度为T和T0时的电子密度 NBT NBT0 导体B在结点温度为T和T0时的电子密度 A B 导体A和B的汤姆逊系数 根据电磁场理论得 EAB T T0 EAB T EAB T0 f T C g T 由于NA NB是温度的单值函数 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 由公式可得 EAB T T0 EAB T EAB T0 EAB T EAB 0 EAB T0 EAB 0 EAB T 0 EAB T0 0 热电偶的热电势 等于两端温度分别为T和零度以及T0和零度的热电势之差 导体材料确定后 热电势的大小只与热电偶两端的温度有关 如果使EAB T0 常数 则回路热电势EAB T T0 就只与温度T有关 而且是T的单值函数 这就是利用热电偶测温的原理 只有当热电偶两端温度不同 热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生 结论 4点 热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关 与热电偶的长度 粗细无关 只有用不同性质的导体 或半导体 才能组合成热电偶 相同材料不会产生热电势 因为当A B两种导体是同一种材料时 ln NA NB 0 也即EAB T T0 0 对于有几种不同材料串联组成的闭合回路 接点温度分别为T1 T2 Tn 冷端温度为零度的热电势 其热电势为E EAB T1 EBC T2 ENA Tn 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 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 二 热电偶的基本定律 1 均质导体定律 E总 EAB T EBC T ECA T 0 三种不同导体组成的热电偶回路 2 中间导体定律 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 如图 由A B C三种材料组成的闭合回路 则 两点结论 l 将第三种材料C接入由A B组成的热电偶回路 如图 则图a中的A C接点2与C A的接点3 均处于相同温度T0之中 此回路的总电势不变 即同理 图b中C A接点2与C B的接点3 同处于温度T0之中 此回路的电势也为 T2 T1 Aa B C 2 3 EABa A T0 2 3 A B EAB T1 T2 C T0 EAB T1 T2 EAB T1 EAB T2 a b T0 T0 EAB T1 T2 EAB T1 EAB T2 第三种材料接入热电偶回路图 E T0 T0 T E T0 T1 T1 T 电位计接入热电偶回路 根据上述原理 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 就不会影响回路中原来的热电势 接入的方式见下图所示 EAB T T0 EAC T T0 ECB T T0 T0 T EBA T T0 B A T0 T EAC T T0 A C T0 T ECB T T0 C B 2 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 如图所示 它们相互间热电势的关系为 3 中间温度定律 如果不同的两种导体材料组成热电偶回路 其接点温度分别为T1 T2 如图所示 时 则其热电势为EAB T1 T2 当接点温度为T2 T3时 其热电势为EAB T2 T3 当接点温度为T1 T3时 其热电势为EAB T1 T3 则 EAB T1 T3 EAB T1 T2 EAB T2 T3 EAB T1 T3 EAB T1 0 EAB 0 T3 EAB T1 0 EAB T3 0 EAB T1 EAB T3 A B T1 T2 T2 A B T0 T0 热电偶补偿导线接线图 E 对于冷端温度不是零度时 热电偶如何分度表的问题提供了依据 如当T2 0 时 则 只要T1 T0不变 接入A B 后不管接点温度T2如何变化 都不影响总热电势 这便是引入补偿导线原理 EAB EAB T1 EAB T0 说明 当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A B同样热电特性的材料A B 如图 即引入所谓补偿导线时 当EAA T2 EBB T2 则回路总电动势为 方法冰点槽法计算修正法补正系数法零点迁移法冷端补偿器法软件处理法 三 热电偶冷端温度及补偿 原因热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差 为保证输出热电势是被测温度的单值函数 必须使冷端温度保持恒定 热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0 为依据 否则会产生误差 1 冰点槽法把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里 使T0 0 这种办法仅限于科学实验中使用 为了避免冰水导电引起两个连接点短路 必须把连接点分别置于两个玻璃试管里 浸入同一冰点槽 使相互绝缘 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 T0 2 计算修正法用普通室温计算出参比端实际温度TH 利用公式计算例用铜 康铜热电偶测某一温度T 参比端在室温环境TH中 测得热电动势EAB T TH 1 999mV 又用室温计测出TH 21 查此种热电偶的分度表可知 EAB 21 0 0 832mV 故得EAB T 0 EAB T 21 EAB 21 T0 1 999 0 832 2 831 mV 再次查分度表 与2 831mV对应的热端温度T 68 注意 既不能只按1 999mV查表 认为T 49 也不能把49 加上21 认为T 70 EAB T T0 EAB T TH EAB TH T0 3 补正系数法把参比端实际温度TH乘上系数k 加到由EAB T TH 查分度表所得的温度上 成为被测温度T 用公式表达即式中 T 为未知的被测温度 T 为参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度 TH 室温 k 为补正系数 其它参数见下表 例用铂铑10 铂热电偶测温 已知冷端温度TH 35 这时热电动势为11 348mV 查S型热电偶的分度表 得出与此相应的温度T 1150 再从下表中查出 对应于1150 的补正系数k 0 53 于是 被测温度T 1150 0 53 35 1168 3 用这种办法稍稍简单一些 比计算修正法误差可能大一点 但误差不大于0 14 T T kTH 例用动圈仪表配合热电偶测温时 如果把仪表的机械零点调到室温TH的刻度上 在热电动势为零时 指针指示的温度值并不是0 而是TH 而热电偶的冷端温度已是TH 则只有当热端温度T TH时 才能使EAB T TH 0 这样 指示值就和热端的实际温度一致了 这种办法非常简便 而且一劳永逸 只要冷端温度总保持在TH不变 指示值就永远正确 4 零点迁移法 应用领域 如果冷端不是0 但十分稳定 如恒温车间或有空调的场所 实质 在测量结果中人为地加一个恒定值 因为冷端温度稳定不变 电动势EAB TH 0 是常数 利用指示仪表上调整零点的办法 加大某个适当的值而实现补偿 5 冷端补偿器法利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值 不平衡电桥由R1 R2 R3 锰铜丝绕制 RCu 铜丝绕制 四个桥臂和桥路电源组成 设计时 在0 下使电桥平衡 R1 R2 R3 RCu 此时Uab 0 电桥对仪表读数无影响 冷端补偿器的作用 注意 桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近 使处于同一温度之下 mV EAB T T0 T0 T0 T A B a b U Uab RCu R1 R2 R3 R 供电4V直流 在0 40 或 20 20 的范围起补偿作用 注意 不同材质的热电偶所配的冷端补偿器 其中的限流电阻R不一样 互换时必须重新调整 6 软件处理法对于计算机系统 不必全靠硬件进行热电偶冷端处理 例如冷端温度恒定但不为0 的情况 只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可 对于T0经常波动的情况 可利用热敏电阻或其它传感器把T0信号输入计算机 按照运算公式设计一些程序 便能自动修正 后一种情况必须考虑输入的采样通道中除了热电动势之外还应该有冷端温度信号 如果多个热电偶的冷端温度不相同 还要分别采样 若占用的通道数太多 宜利用补偿导线把所有的冷端接到同一温度处 只用一个冷端温度传感器和一个修正T0的输入通道就可以了 冷端集中 对于提高多点巡检的速度也很有利 7 补偿导线法 利用补偿导线 将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所 如仪表室 根据中间温度定律 只要热电偶的两个热电极分别与两补偿导线的接点温度一致 就不会影响热电动势的输出 9 1 2常用热电偶的结构类型 一热电偶材料用作热电极的材料应具备下面的条件 温度测量范围广 要求在规定的温度测量范围内有较高的测量精确度 有较大的热电动势 温度与热电动势的关系是单值函数 最好是呈线性关系 性能稳定 要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳定 均匀性和复现性好 物理化学性能好 要求在规定的温度测量范围内有良好的化学稳定性 抗氧化性或抗还原性能 材料的温度系数和电阻率要小 材料的复制性好 机械强度高 满足上述条件的热电偶材料并不很多 我国把性能符合专业标准或国家标准并具有统一分度表的热电偶材料称为定型热电偶材料 从1988年1月1日起 我国热电偶和热电阻的生产全部按国际电工委员会 IEC 的标准 并指定S B E K R J T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶 但其中的R型 铂铑13 铂 热电偶 因其温度范围与S型 铂铑10 铂 重合 我国没有生产和使用 热电偶的种类 1 标准型热电偶 1 铂铑30 铂铑6热电偶 分度号B 它的正极是铂铑丝 铂70 铑30 负极也是铂铑丝 铂94 铑6 俗称双铂铑 测量温度最高长期可达1600 短期可达1800 优点是材料性能稳定 测量精度高 测温上限高 缺点是在还原性气体中易被侵蚀 成本高 铂 pt78 性软 易受机械处理 溶点1772 C 化学性质稳定 但溶于王水 硝酸和盐酸1 3混合 铂族元素 钌 锇 铑 铱 钯 铂 溶点都在1500 C以上 性质稳定 在自然界中多以游离态存在 金 AU79 延展性强 比重19 32 熔点1064 C 在空气中极稳定 不溶于酸或碱 溶于王水及氯化钾 氯化钠溶液中 2 铂铑10 铂热电偶 分度号S 正极是铂铑丝 铂90 铑l0 负极是纯铂丝 测量温度最高长期可达1300 短期可达1600 一般用来测量1000 以上的高温 优点是材料性能稳定 测量准确度较高 可做成标准热电偶或基准热电偶 抗氧化性强 宜在氧化性 惰性气氛中工作 缺点是在高温还原性气体中 如气体中含C H2等 易被侵蚀 需要用保护套管 另外其热电极材料属贵金属 成本较高 热电势也较弱 国际温标中规定它为630 74 1064 43 温度范围内复现温标的标准仪器 正极是镍铬合金 88 4 89 7 镍 9 10 铬 0 6 硅 0 3 锰 0 4 0 7 钴 负极为镍硅 镍95 7 97 镍 2 3 硅 0 4 0 7 钴 测温范围为 200 1300 优点是测温范围很宽 热电动势与温度关系近似线性 热电动势大 高温下抗氧化能力强 价格低 所以在工业上应用广泛 3 镍铬 镍硅热电偶 分度号K 缺点是热电动势的稳定性和精度较B型或S型热电偶差 在还原性气体和含有SO2 H2S等气体中易被侵蚀 测量温度长期可达1000 短期可达1300 4 镍铬 铜镍热电偶 分度号E 正极是镍铬合金 负极是铜镍合金 铜55 镍45 测温范围为 200 1000 优点是热电动势较其他常用热电偶大 适宜在氧化性或惰性气氛中工作 正极是铁 负极是铜镍合金 测温范围为 200 1300 其特点是价格低 热电动势较大 仅次于E型热电偶 灵敏度高 约为53 V 线性度好 价格便宜 可在800 以下的还原介质中使用 主要缺点是铁极易氧化 5 铁 铜镍热电偶 分度号J 正极是铜 负极是铜镍合金 测温范围为 200 400 热电势略高于镍铬 镍硅热电偶 约为43 V 优点是精度高 复现性好 稳定性好 价格便宜 缺点是铜极易氧化 故在氧化性气氛中使用时 一般不能超过300 6 铜 铜镍热电偶 分度号T 在0 100 范围内 铜 铜镍热电偶已被定为三级标准热电偶 用以检测低温仪表的精度 误差不超过 0 1 几种常用热电偶的测温范围及精确度 WR装配式热电偶基本型号 铱和铱合金热电偶 如铱50铑 铱10钌 铱铑40 铱 铱铑60 铱热