热电偶温度传感器..ppt

热电偶温度传感器 热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件 是由两种不同成分的导体两端接合成回路时 当两接合点热电偶温度不同时 就会在回路内产生热电流 如果热电偶的工作端与参比端存有温差时 显示仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值 热电偶的热电动热将随着测量端温度升高而增长 它的大小只与热电偶材料和两端的温度有关 与热电极的长度 直径无关 各种热电偶的外形常因需要而极不相同 但是它们的基本结构却大致相同 通常由热电极 绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成 通常和显示仪表 记录仪表和电子调节器配套使用 热电偶温度传感器 热电偶温度传感器 本节要点 1 热电偶基本原理及热电效应 2 热电偶基本定律 3 热电偶结构外形与材料 4 热电偶的冷端补偿方法 5 热电偶测温线路 1 基本原理及热电效应 1 基本原理1821年赛贝克发现了铜 铁这两种金属的温差电现象 即在这两种金属构成的闭合回路中 对两个接头中的一个加热即可产生电流 在冷接头处 电流从铁流向铜 由于冷 热两个端 接头 存在温差而产生的电势差E 就是温差热电势 这种由两种不同的金属构成的能产生温差热电势的装置称为热电偶 2 热电效应将两种不同的导体 或半导体 A B组合成闭合回路 若两结点处温度不同 则回路中将有电流流动 即回路中有热电动势存在 此电动势的大小除了与材料本身的性质有关以外 还决定于结点处的温差 这种现象称为热电效应或塞贝克效应 热电效应产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成的 1 接触电势当两种导体 或半导体 接触在一起时 由于不同导体的自由电子密度不同 在结点处就会发生电子迁移扩散 失去电子的导体呈正电位 得到电子的导体呈负电位 当扩散达到平衡时 在两种金属的接触处形成电位差 此电位差称为接触电势 其大小与两种导体的性质及结点的温度有关 可表示为 式中 EAB T 为A B两种导体在温度T时的接触电势 K为玻尔兹曼常数 e为电子电荷 NA NB为导体A B的自由电子密度 T为结点处的绝对温度 2 温差电势也称为汤姆逊电势 产生原因是 金属导体两端的温度不同 则其自由电子的浓度亦不相同 温度高的一端浓度较大 因此高温端的自由电子将向低温端扩散 高温端失去电子带正电 低温端得到多余的电子带负电 从而形成温差电势 式中 EA T T0 为导体A的两端温度分别为T与T0时的温差电势 sA为温度系数 又叫汤姆逊系数 它表示单一导体的两端温差为1 时所产生的温差电势 热电偶的电势可表示成 可进一步写成 几点结论 如果组成热电偶的两个电极的材料相同 即使是两结点的温度不同也不会产生热电势 组成热电偶的两个电极的材料虽然不相同 但是两结点的温度相同也不会产生热电势 由不同电极材料A B组成的热电偶 当冷端温度T0恒定时 产生的热电势在一定的温度范围内是热端温度T的单值函数 赛贝克效应 1 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 2 热电偶基本定律 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 应用 在稳定的冷端环境中 接入检测仪表不会带来测量误差 2 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 证明 即 3 参考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 两式相减得 结合热电偶中间导体定律理解 第三种导体为参考电极 小结 热电偶三大定律 中间导体定律 中间温度定律 参考电极定律 3 常用热电偶的结构和材料 普通工业用装配式热电偶结构示意图 1 常用热电偶的结构 2 热电偶外形 3 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 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 几种常用热电偶的测温范围及精确度 4 热电偶的冷端补偿方法 A冷端恒温法 冰点槽法将热电偶的冷端置于冰点槽内 冰水混合物 使冷端温度处于0 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 这种装置通常用于实验室或精密的温度测量 冰点槽法 B 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 通过公式计算来对温度进行修正 该算法的提出是基于分度表的查询规则 C 计算修正法 热电偶的分度表 作用 1 对比查找温度或热电势 注意 温度单位为 热电势单位为mV 2 查询条件 热电偶材料类型已知 热电偶自由端温度必须为0 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 如何由热电偶的热电势查热端温度值 设冷端为0 C 根据以下电路中的毫伏表的示值及K热电偶的分度表 查出热端的温度tx 例1 用K型热电偶测炉温时 热端温度为300 冷端温度为0 则热电偶回路中产生的热电势值为多少 EK 300 0 12 207mV 实际问题 实际应用时冷端温度可能并不为0 而分度表中的查表值是以冷端为0 参考的热电势值 分析 回路热电势 借助热电偶定律中的中间温度定律 以0 为中间温度实现 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 应用 任何冷端温度都可以用分度表加以修正 D 电桥补偿 又称冷端补偿器 法 补偿电桥 E 显示仪表零位调整法 当热电偶通过补偿导线连接显示仪表时 如果热电偶冷端温度不是0 但十分稳定 如恒温车间或有空调的场所 可预先将有零位调整器的显示仪表的指针从刻度的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温度值 F 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