11 第十一章 热电式传感器(2).ppt

1 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 第二节热电偶温度传感器 热电偶的工作原理 热电偶回路的性质 热电偶的常用材料与结构 冷端处理及补偿 2 各种热电偶 3 先看一个实验 热电偶工作原理演示 结论 当两个结点温度不相同时 回路中将产生电动势 热电极A 右端称为 自由端 参考端 冷端 一 热电偶的工作原理 左端称为 测量端 工作端 热端 热电极B 热电势 A B 4 从实验到理论 热电效应 1821年 德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路 并用酒精灯加热其中一个接触点 称为结点 发现放在回路中的指南针发生偏转 说明什么 如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热 指南针的偏转角反而减小 又说明什么 显然 指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动 电流的强弱与两个结点的温差有关 5 两种不同类型的金属导体 导体两端分别接在一起构成闭合回路 当两个结点温度不等有温差时 回路里会产生热电势 形成电流 这种现象称为热电效应 利用这种效应 只要知道一端结点温度 就可以测出另一端结点的温度 热电效应 6 两种不同的金属互相接触时 由于不同金属内自由电子的密度不同 在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象 自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B 使A失去电子带正电 B得到电子带负电 从而产生热电势 自由电子 A B eAB T T 1 接触电势 7 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 8 对于任何一种金属 当其两端温度不同时 两端的自由电子浓度也不同 温度高的一端浓度大 具有较大的动能 温度低的一端浓度小 动能也小 因此高温端的自由电子要向低温端扩散 高温端因失去电子而带正电 低温端得到电子而带负电 形成温差电动势 又称汤姆森电动势 2 温差电势 9 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 温差电势原理图 10 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 11 由于在金属中自由电子数目很多 温度对自由电子密度的影响很小 故温差电动势可以忽略不计 在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势 则有 在标定热电偶时 一般使T0为常数 则 12 1 热电偶回路的热电动势只与组成热电偶的材料及两端接点的温度有关 与热电偶的长度 粗细 形状无关 二 热电偶基本性质 2 只有用不同性质的材料才能组合成热电偶 相同材料不会产生热电动势 因为当A B两种导体是同一种材料时 ln NA NB 0 所以EAB T T0 0 3 只有当热电偶两端温度不同时 不同材料组成的热电偶才能有热电动势产生 当热电偶两端温度相同时 不同材料组成的热电偶也不产生热电动势 即EAB T T0 0 13 4 导体材料确定后 热电动势的大小只与热电偶两端的温度有关 如果使eAB T0 常数 则回路热电动势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基本原理 14 三 热电偶基本定律 1 均质导体定律如果热电偶回路中的两个热电极材料相同 无论两接点的温度如何 热电动势均为零 反之 如果有热电动势产生 两个热电极的材料则一定是不同的 根据这一定律 可以检验两个热电极材料的成分是否相同 称为同名极检验法 也可以检查热电极材料的均匀性 15 2 中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体C 只要第三种导体的两接点温度相同 则回路中总的热电动势不变 右图回路中的总电动势为 16 如果回路中三个接点的温度都相同 即T T0 则回路总电动势必为零 即 即 则 17 如果按右图接入第三种导体C 则回路中的总电动势为 而 所以 意义 可用电器测量仪表直接测量热电势 18 3 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可知 19 两式相减得 1 若一个热电偶由A B C三种导体组成 且回路中三个接点的温度都相同 则回路总电动势必为零 即 20 或 即导体A与B组成的热电偶的热电动势也可知 代入 1 式可得 21 解 由标准电极定律 镍铬和考铜热电偶的热电动势应等于镍铬合金与纯铂热电偶与考铜与纯铂热电偶的热电动势的差 即 例热端为100 冷端为0 时 镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2 95mV 而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为 4 0mV 求镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生的热电动势 2 95mV 4 0mV 6 95mV 22 4 中间温度定律热电偶在两接点温度分别为T T0时的热电动势等于该热电偶在接点温度分别为T Tn和接点温度分别为Tn T0时的相应热电动势的代数和 23 证明 即 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 24 当Tn 0 时 则 上式说明 只要A B组成的热电偶在冷端温度为零时的 热电动势 温度 关系已知 则它在冷端温度不为零时的热电动势即可知 意义 为制定分度表奠定了理论基础 25 5 连接导体定律 热电偶导体A B分别与连接导线C D相接 总热电势为两部分的代数和 26 热电偶的分度表 热电偶的线性较差 多数情况下采用查表法 我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的 1990年国际温标 简称ITS 90 的新标准 按此标准 制定了相应的分度表 并且有相应的线性化集成电路与之对应 直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是 自由端 冷端 温度必须为0 C 27 四 热电偶的结构和种类 1 热电极 1 热电偶的结构 28 普通装配型热电偶的外形 安装螺纹 安装法兰 29 普通装配型热电偶的结构放大图 接线盒 引出线套管 固定螺纹 出厂时用塑料包裹 热电偶工作端 热端 不锈钢保护管 30 铠装型热电偶外形 法兰 铠装型热电偶可长达上百米 薄壁金属保护套管 铠体 铠装型热电偶横截面 31 铠装型热电偶 铠装热电偶的制造工艺 把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中 运用同比例压缩延伸工艺 将这三者合为一体 制成各种直径 规格的铠装偶体 再截取适当长度 将工作端焊接密封 配置接线盒即成为柔软 细长的铠装热电偶 铠装热电偶特点 内部的热电偶丝与外界空气隔绝 有着良好的抗高温氧化 抗低温水蒸气冷凝 抗机械外力冲击的特性 铠装热电偶可以制作得很细 能解决微小 狭窄场合的测温问题 且具有抗震 可弯曲 超长等优点 32 隔爆型热电偶外形 厚壁保护管 压铸的接线盒 电缆线 33 隔爆型热电偶 结构特点 隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构 它的接线盒是经过压铸而成的 有一定的厚度 隔爆空间 机构强度较高 采用螺纹隔爆接合面 并采用密封圈进行密封 因此 当接线盒内一旦放弧时 不会与外界环境的危险气体传爆 能达到预期的防爆 隔爆效果 使用场合 工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业自控系统中 由于在化工生产厂 生产现场常伴有各种易燃 易爆等化学气体或蒸汽 如果用普通热电偶则非常不安全 很容易引起环境气体爆炸 34 2 热电偶的种类 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 35 几种常用热电偶的测温范围及热电势 36 五 冷端处理及补偿 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 37 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 38 2 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 例采用镍铬 镍硅热电偶测量炉温 热端温度为800 冷端温度为50 为了进行炉温的调节与显示 必须将热电偶产生的热电动势信号送到仪表室 仪表室的环境温度恒为20 39 首先由镍铬 镍硅热电偶分度表查出它在冷端温度为0 热端温度分别为800 50 20 时的热电动势 E 800 0 33 277mV 如果热电偶与仪表之间直接用铜导线连接 根据中间导体定律 输入仪表的热电动势为 E 50 0 2 022mV E 20 0 0 798mV E 800 50 E 800 0 E 50 0 33 277 2 022 mV 31 255mV 40 3 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 979mV 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 84mV 故得EAB T 0 EAB T 21 EAB 21 T0 1 979 0 84 2 819 mV 再次查分度表 与2 819mV对应的热端温度T 69 注意 既不能只按1 979mV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 41 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 4