热电偶传感器ppt.ppt

任务2热电偶温度传感器 1 学习热电偶的概念及其特点2 学习热电偶的基本定律3 学习热电偶测温原理4 学习热电偶的结构及标准热电偶5 学习热电偶的冷端温度补偿法 1 热电偶的概念及其特点2 热电偶的基本定律3 热电偶测温原理4 热电偶的结构及标准热电偶5 热电偶的冷端温度补偿法 热电偶主要用来测量中高温 它的测温范围大 适用于炼钢炉 炼焦炉等高温地区的温度测量 热电偶测温原理 热电效应和热电动势热电偶是利用热电效应的原理制成的 热电效应和热电动势将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来 构成一个闭合回路 当导体A和B的两个交接点t和t0之间存在温差时 两者之间便产生电动势 因而在回路中形成一个大小的电流 这种现象称为热电效应 也称塞贝尔效应 导体A B称热电极 温度t处称为热端 工作端或测量端 温度t0称为冷端 参考端或自由端 由这样一种结构 并将温度值转换成热电动势的传感器叫做热电偶传感器 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 自由端 参考端 冷端 测量端 工作端 热端 热电极B 热电势 A B 空中加油 请你分析一下 这种加油方式在怎样的条件下才可进行 热电偶热的电动势的特点1 当电极材料不同 并且热端温度t和冷端温度t0不同时 热电偶回路才会有热电动势 当热电极材料选定后 热端温度t和冷端温度t0的温差越大 热电动势就越大 2 热电动势的产生是由两种导体的接触电动势和单一导体的温差电势两部分组成 一般情况下 热电偶的接触电势远大于温差电势 因而回路中热电动势的方向取决于热端的接触电势方向 电子密度大的导体A为正极 电子密度小的导体B为负极 热电偶的基本定律1 中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体 只要其两端的温度相等 该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势 图2 3 2热电偶插入中间导体示意图 2 中间温度定律在热电偶测量电路中 热端温度为t 冷端温度为t0 中间温度为t1 则 t t0 的热电动势等于 t t1 与 t1 t0 热电动势的代数和 3 标准电极定律只要测得标准电极与各种金属组成的热电偶的热电动势 则任何两种电极配对组合成的热电偶的热电动势就可根据标准电极定律定律计算出 而不需要逐个测定 热电偶基本定律 1 如果热电偶两种电极材质相同 则无论两接点的温度如何 总电动势始终为零 2 如果热电偶两接点温度相同 尽管A B材质不同 回路中的总电动势依然为零 3 热电偶产生的热电动势大小与材料和接点温度有关 与其尺寸 形状无关 热电偶测温原理热电动势的大小与热电极A B的长度和直径无关 只与热电极的材料和冷 热两端的温度有关 如果热电极的材料选定 冷端的温度t0确定 那么热电动势就只与热端温度t有关 所以可以通过测量热电动势的大小得到热端的温度值 这就是热电偶测温度的工作原理 1 热电偶传感器是将 变化量转变为微小的 变化量 经放大后用来控制执行机构的 2 热电偶是利用 效应制成的 热电动势由 电势和 电势组成 3 的数值越大 热电偶的输出热电动势就越大 A 热端直径B 热端和冷端的温度C 热端和冷端的温差D 热电极的电导率 温度 电动势 热电 接触 温差 C 简答题热电偶测温必须具备的条件是什么 答 两种不同材料的导体A和B组成一个闭合电路 两交接点的温度不同 热电偶的结构 热电偶通常由热电极 绝缘管 保护套管和接线盒等几个主要部分组成 为满足不同生产对象的测温要求和条件 热电偶的结构形式有 普通型电偶 铠装型热电偶 薄膜型热电偶 普通型热电偶工业测量上应用最多的是普通型热电偶 普通装配型热电偶的外形 安装螺纹 安装法兰 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 测量锅炉烟道中的烟气温度应选用 型的热电偶 A 普通B 铠装C 薄膜 A 铠装热电偶铠装型热电偶是把电极 绝缘材料熔铸在一起 外套金属保护管经拉伸加工而成 它可以做得很长 很细 在使用中可以随测量需要进行弯曲 铠装型热电偶 1 热电极 2 绝缘材料 3 金属套管 4 接线盒 5 固定装置 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 测量50m深的岩石钻孔中的温度应选用 型的热电偶 A 普通B 铠装C 薄膜 B 薄膜型热电偶薄膜型热电偶采用真空镀膜技术 由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶 其结构示意图如图所示 适用于微小面积上的表面温度的测量以及快速变化的表面温度的测量 测量CPU散热片的温度应选用 型的热电偶A 普通B 铠装C 薄膜 C 标准热电偶 从理论上说 任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶 但为了做到准确 可靠以及稳定的测量温度 对热电偶材料必须进行一定的选择 其原则为 1 热电势变化尽量大 2 热电势与温度的关系尽量接近线性 3 理化性能稳定 易加工 有良好的互换性 目前工业上常用的4种标准热电偶的组成材料为 1 铂铑30 铂铑6热电偶 WRLB 分度号为B型 测温范围0 1800 这种材料组成的热电偶的熔点高 可用于较高温度的测量 误差小 一般适用于较为精密的温度测量 但它热电动势小 不能用于金属蒸汽和还原介质中 2 铂铑10 铂热电偶 WRLL 分度号为S型 测温范围0 1600 这种材料组成的热电偶可长期测量高达1600 的温度 其性能稳定 精度高 适宜在氧化性介质或中性介质中进行测量 室温下热电动势小 不需要进行冷端补偿和修正 可作为标准热电偶 3 镍铬 镍硅热电偶 WREU 分度号为K型 测温范围 200 1300 4 镍铬 康铜 WREA 分度号为E型 测温范围 200 900 后两者材料组成的热电偶的热电动势较大 易测温 但测温范围小 组成热电偶的两种材料中 写在前面的为正极 写在后面的为负极 参考端温度为0 时 把热电偶的热电动势与工作端温度之间的关系制成表格 称为热电偶的分度表 作业1 请写出热电效应的概念2 热电偶测温必须具备的条件是什么 3 请写出中间导体定律和中间温度定律4 热电偶是由哪几部分组成 有哪些结构形式 热电偶测温及参考端温度补偿 热电偶的缺点是存在冷端温度补偿问题 根据热电偶测量原理可知 当冷端温度保持不变时 热电偶回路的热电动势与热端温度成单值对应关系 在实际测温时 由于热电偶一般做的比较短 长度有限 冷端温度会直接受到被测介质的温度和周围环境的影响 无法保持恒定 因而会产生测量误差 为了消除温度误差的影响 常采用以下几种补偿方法1 补偿导线法2 冷端补偿法冷端0 恒温法冷端温度修正法电桥补偿法 1 补偿导线法由于受到材料价格的限制不可能做很长 而要使其冷端不受测温对象的温度影响 必须使冷端远离温度对象 采用补偿导线可以做到这一点 所谓补偿导线 实际上是一对材料化学成分不同的导线 在0 150 温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性 但价格相对要便宜 补偿导线法 补偿导线外形 A B 屏蔽层 保护层 1 组成 补偿导线由合金丝 绝缘层 护套和屏蔽层 2 热电偶补偿导线功能 其一实现了冷端迁移 其二是降低了电路成本 A B 屏蔽层 保护层 使用补偿导线时注意问题 1 补偿导线只能用在规定的温度范围内 0 100 2 热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同 不同型号的热电偶配有不同的补偿导线 3 补偿导线的正 负极需分别与热电偶正 负极相连 补偿导线的作用是对热电偶冷端延长 冷端补偿法由于热电偶产生的电势与两端温度有关 只有将冷端温度保持恒定才能使热电势正确反映热端的被测温度 由于很难保证冷端温度在恒定0 故常采取一些冷端补偿措施 主要有 冷端恒温法 补偿导线法 计算修正法 1 冷端0 恒温法 使参考端 冷端 温度处于0 C 1 冰浴法将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中 使冷端的温度保持在0 C不变 此法称冰浴法 它消除了t0不等于0 C而引入的误差 由于冰融化较快 所以一般只适用于实验室和校验热电偶的装置中 2020 3 18 44 冰浴法 2020 3 18 45 在冰瓶中的冰水混合物 温度保持在0 C不变 冰浴法接线图 1 被测流体管道2 热电偶3 接线盒4 补偿导线5 铜质导线6 毫伏表7 冰瓶8 冰水混合物9 试管10 新的冷端 2 冷端温度修正法将热电偶的冷端置于各种恒温器内 使之保持温度恒定 避免由于环境温度的波动而引入误差 这类恒温器的温度不为0 需对热电偶进行冷端温度修正 用分度号为S的铂铑10 铂热电偶测炉温 其冷端温度为30 而直流电位差计测得的热电动势为9 527mV 试求被测温度 解 查铂铑10 铂热电偶分度表 得E 30 0 0 173mV 根据中间温度定律得再查该分度表得被测温度t 1010 若不进行校正 则所测9 527mV对应的温度为995 误差 15 用分度号为S的铂铑10 铂热电偶测炉温 其冷端温度为40 而直流电位差计测得的热电动势为5 413mV 试求被测温度 3 电桥补偿法利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷端温度变化而引起的热电势的变化值 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 在某一温度时电桥平衡 R1 R2 R3 RCu 此时Uab 0 电桥对仪表读数无影响 当环境温度改变使冷端温度变化时 热电偶的热电动势变化 与此同时 RCu的阻值也随之改变 因而使电桥失去平衡 a b间有输出电压 如果使与数值相等 符号相反 相加后为零 仪表读出的热电动势便不受冷端温度的影响 就可起到自动补偿的作用 课堂小结 1 将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来 构成一个闭合回路 当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时 两者之间便产生电动势 因而在回路中形成一个大小的电流 这种现象称为热电效应 也称塞贝尔效应 2 回路中所产生的电动势 叫热电势 3 热电偶的基本定律 中间导体定律 中间温度定律 标准电极定律 4 热电动势的大小只与热电极的材料和冷 热两端的温度有关 如果热电极的材料选定 冷端的温度t0确定 那么热电动势就只与热端温度t有关 所以可以通过测量热电动势的大小得到热端的温度值 这就是热电偶测温度的工作原理 5 热电偶通常由热电极 绝缘管 保护套管和接线盒等几个主要部分组成 6 热电偶的结构形式有 普通型电偶 铠装型热电偶 薄膜型热电偶 7 参考端温度为0 时 把热电偶的热电动势与工作端温度之间的关系制成表格 称为热电偶的分度表 8 补偿方法 1 补偿导线法 2 冷端补偿法冷端0 恒温法冷端温度修正法电桥补偿法 1 简述热电偶与热电阻的测量原理的异同 2 设一热电偶工作时产生的热电动势可表示为EAB t t0 其中A B t t0各代表什么意义 t0在实际应用时常应为多少 3 什么是热电偶 4 用分度号为S的铂铑10 铂热电偶测炉温 其冷端温度为20 而直流电位差计测得的热电动势为5 413mV 试求被测温度 5 用热电偶测温时 为什么要进行冷端补偿 冷端补偿的方法有哪几种 6 热电偶在使用时为什么要连接补偿导线 1 简述热电偶与热电阻的测量原理的异同 2 设一热电偶工作时产生的热电动势可表示为EAB t t0 其中A B t t0各代表什么意义 t0在实际应用时常应为多少 答 1 相同点 都能测温度且只能直接测温度量 2 不同点 热电阻传感器原理为阻值大小变化对应温度变化 而热电偶传感器为热电动势大小变化对应温度变化 答 A B 两热电极t 热端温度 即被测温度t0 冷端温度t0 常应为0 3 什么是热电偶 答 热电偶是通过测量电势从而测量温度的一种感温元件 是由两种不同成分的导体焊接在一起构成的 当两端温度不同时 在回路中就会有热电势产生 将温度信号转变为电信号 再由显示仪表显示出来 4 用分度号为S的铂铑10 铂热电偶测炉温 其冷端温度为20 而直流电位差计测得的热电动势为5 413mV 试求被测温度 由查表可知冷端温度20 的电动势为0 113mVE t 0 E t t0 E t0 0 E t 0 5 413mV 0 113mV 5 526mV由查表可知被测温度为628 5 用热电偶测温时 为什么要进行冷端补偿 冷端补偿的方法有哪几种 6 热电偶在使用时为什么要连接补偿导线 答 因工作现场常常缺乏使热电偶传感器的冷端保持在0 的条件 答 因为在使用热电偶测温时 必须将热电偶的参考端温度保持恒定