《温度测量热电偶》PPT课件.ppt

第三章接触式温度检测及仪表第一节概述一 测温仪表的分类 接触式测温仪表膨胀式温度计压力式温度计热电偶温度计热电阻温度计 非接触式测温仪表辐射式高温计 水银玻璃温度计双金属温度计1 玻璃温包 2 毛细管 a 条形双金属 b 螺旋形双金属3 刻度标尺 双金属温度计结构 a 轴向型 b 径向型1一表壳 2一刻度盘 3一活动螺母 4一保护套管 5一指针轴 6一感温元件 7一固定端 双金属温度计 双金属温度开关 液体压力式温度计原理图1一温包 2一毛细管 3一基座 4一弹簧管 5一连杆 6一扇形齿轮 7一小齿轮 8一指针 9一刻度盘 二 温标定量地表示物体温度数值大小的尺度称为温度标尺 简称温标 温标是用数值表示温度的一整套规则 它确定了温度的单位 各种测温仪表直读温度的刻度均是通过温标来确定的 建立温标 1 选定测温物质的性质 2 定义固定点温度 3 确定内插仪器和公式 得到温度的单位 历史上有过多种温标 摄氏温标 华氏温标 热力学温标 国际实用温标目前的国际实用温标为ITS 90温标 ITS 90适用的温度范围 下限0 65K 上限 根据普朗克定律使用单色辐射高温计 实际可测得的最高温度 热力学温度 符号为T 是基本物理量 它的单位是开尔文 符号为K 定义 水三相点热力学温度的1 273 16为1K 温标允许使用与水冰点温度的差值来表示温度 用这种方法表示的热力学温度称为摄氏温度 温度符号为t 则有 t T 273 15 规定了十七个固定点温度 其中十四个为物质的平衡点 三相点 熔点 凝固点 另外三个为由规定的温度计在指定的某温度附近测量确定 规定了不同温区内复现温标的基准器 1 0 65 5 0K之间基准器 氦蒸气压温度计 2 3 0 24 5561K之间基准器 氦气体温度计 定容式 3 13 8033K 961 781 之间基准器 铂电阻温度计 4 961 78 以上温度基准器 光学高温计 规定了不同温区定义T90的计算公式 第二节热电偶测温一 热电偶的测温原理热电偶温度计以热电偶作为感温元件 一般用于测量500 以上的高温 长期使用时其测温上限可达1300 短期使用时可达1600 特殊材料制成的热电偶可测量的温度范围为2000 3000 特点 热电偶具有性能稳定 测温高 结构简单 使用方便 经济耐用 容易维护和体积小等优点 还便于信号远传和实现多点切换测量 应用 电厂生产过程中的主蒸汽温度 过热器管壁温度 高温烟气等都是采用热电偶来测量的 热电偶测温示意图1 热电偶 2 连接导线 3 显示仪表 热电偶测温主要利用热电现象1 热电现象 塞贝克效应 热电偶由两种不同材料的导体 或半导体 A和B组成 A B是热偶丝 也叫热电极 放在被测对象中 感受温度变化的那端称为工作端或热端 另一端称为自由端或冷端 当热端和冷端温度不同时回路中有电流流过 此电流称为热电流 产生热电流的电动势称为热电势 这种物理现象称为热电现象 热电偶 1 接触电势接触电势的大小可用下式表示 式中e 单位电荷 等于4 802 10 10绝对静电单位 K 波尔兹曼常数 等于1 38 10 28J K NA t NB t 金属A B在温度t时的自由电子密度 T A B金属接触处的绝对温度 K 理论和实践都证实 热电现象中产生的热电势是由接触电势和温差电势两种电势的综合效果 接触电势产生 2 温差电势温差电势是同一金属体两端温度不同而产生的 温差电势的产生式中NA t 金属A的电子密度 它是温度函数 为了分析方便 温差电势可由下面函数差来表示 3 热电偶回路热电势如果t t0 NA t NB t 则在回路内便产生两个接触电势eAB t 和eAB t0 两个温差电势eA t t0 和eB t t0 各电势的方向如图所示 回路的总电势EAB t t0 等于回路中各电势的代数和 即 结论 1 热电偶的热电势是热电偶两端温度的函数之差 其大小取决于热电偶两个热电极材料的性质和两端接点温度 而与热电极几何尺寸无关 2 如果保持热电偶冷端温度to恒定不变 对一定材料的热电偶 其fAB t0 亦为常数 设为C 则热电偶的热电势只与热电偶热端温度t有关 若测得EAB t t0 值 便可知温度t值 这就是热电偶测温原理 即EAB t t0 fAB t C 需要说明的几个问题 1 分度表的建立热电偶分度表是在冷端温度t0 0 时热电势与热端温度的关系 可用表格形式给出 不同材料制成的热电偶有不同的分度表 注意 热电偶的热电势与热端温度的关系一般为非线性关系 2 热电极与热电势的极性热电偶的两个热电极有正负之分 热电势也有正负极性之分 3 多种导体组成的闭合回路的热电势的计算方法三种导体组成的闭合回路的热电势可以推出 思考 四种导体组成的闭合回路的热电势的表达式 二 热电偶的基本定律这些定律已在理论分析和实践中得到证明 对保证热电偶正确测量温度至关重要 1 均质导体定律该定律内容是 由一种均质导体或半导体组成的闭合回路不论导体或半导体的截面积 长度和各处温度分布如何 都不能产生热电势 结论 1 热电偶必须由两种不同性质的材料构成 2 由一种材料组成的闭合回路存在温差时 回路如产生热电势 便说明该材料是不均匀的 据此 可检查热电极材料的均匀性 2 中间导体定律该定律内容是 由不同材料组成的闭合回路中 若各种材料接触点的温度都相同 则回路中热电势的总和等于零 结论 1 在热电偶回路中接入第三种均质材料 只要保证所接入材料两端温度相同 就不会影响热电偶的热电势 下图为两种接入中间导体的热电偶回路 显示仪表接入热电偶回路时 只要保证连接导线和显示仪表接入热电偶回路时两连接端的温度相同 就不会改变回路热电势 热电偶的热端焊接点也相当于第三种金属 只要它与热电极接触良好 整个接点温度一致 也不会影响热电偶回路的热电势 2 如果两种导体A和B对另一种参考导体C热电势已知 则这两种导体组成的热电偶的热电势是它们对参考导体热电势的代数和 即EAB t to EAC t to ECB t to 参考导体亦称标准电极 一般选用铂制成 利用此推论大大简化了热电偶的选配工作 3 中间温度定律热电偶A B在接点温度为t1 t3时的热电势等于热电偶A B在接点温度分别为t1 t2和t2 t3时热电势的代数和 即EAB t1 t3 EAB t1 t2 EAB t2 t3 结论 1 已知热电偶在某一给定冷端温度下进行的分度 只要引入适当的修正 就可在另外的冷端温度下使用 该定律为制定和使用热电偶的热电势一温度关系即分度表奠定了理论基础 因为热电偶分度表是在冷端温度t0 0 时热电势与热端温度的关系 根据中间温度定律便可以算出任何冷端温度时的热电势值 EAB t 0 EAB t tn EAB tn 0 2 和热电偶具有同样热电性质的补偿导线可以引入热电偶回路中 相当于把热电偶延长而不影响热电偶应有的热电势 该定律为应用补偿导线提供了理论依据 思考 为什么热电偶不直接用铜线直接引出电势信号 我国规定补偿导线分为补偿型和延伸型两种 补偿型补偿导线的材料与对应的热电偶不同 是用贱金属制成的 但在低温下它们的热电性质是相同的 延伸型补偿导线的材料与对应的热电偶相同 但其热电性能的准确度要求略低 补偿导线的型号和性能简表 三 标准化热电偶与非标准化热电偶所谓标准化热电偶是指制造工艺较成熟 应用广泛 能成批生产 性能优良而稳定并已列入专业或国家工业标准化文件中的那些热电偶 由于标准化文件对同一型号的标准化热电偶规定了统一的热电极材料及其化学成分 热电性质和允许偏差 也就是说标准化热电偶具有统一的分度表 对于同一型号的标准化热电偶具有互换性 使用十分方便 非标准化热电偶是为适应更高或更低的温度以及特殊的介质气氛而出现的 它们没有统一的国家标准和统一的分度号 它们是标准化热电偶的补充 常用的标准化热电偶 铂铑10 铂热电偶 分度号S 铂铑13 铂热电偶 分度号R 铂铑30 铂铑6热电偶 分度号B 镍铬一镍硅 镍铬一镍铝 热电偶 分度号K 镍铬硅一镍硅镁热电偶 分度号N 镍铬一康铜热电偶 分度号E 铁一康铜热电偶 分度号J 铜一康铜热电偶 分度号T 注意掌握各种标准化热电偶的分度号 测温上限和特点 非标准化热电偶用于特殊的场合 如高温 低温 超低温 高真空和有核辐射等被测对象中 非标准化热电偶一般没有统一的分度表 1 钨铼系热电偶2 铱铑系热电偶3 铂钼5 铂钼0 1热电偶4 非金属热电偶 四 热电偶的构造1 普通型热电偶常用的普通型热电偶是由热电极 一端焊接的两根金属丝 绝缘套管 保护套管以及接线盒组成 在个别情况下 如果被测介质对热电偶不会发生侵蚀作用 也可不用保护套管 以减小接触测温误差与滞后 热电偶的结构1 接线柱 2 接线座 3 绝缘套管 4 热电极1 热电偶热端 2 热电极 3 绝缘管 4 保护套管 5 接线盒 普通工业热电偶结构示意 a 热电偶结构 外观 b 热电偶参比端接线盒 c 热电偶测温元件1一保护套管 2一金属加固管 3一非金属保护套管 4一活动法兰 5一金属保护套管 6一固定螺栓 7 接线座 8一接线柱 9一接线盒 10一盒盖 11一瓷绝缘管 12一热电偶电极 普通型热电偶的结构 普通型热电偶的结构 2 铠装热电偶铠装热电偶是由金属套管 绝缘材料和热电极经拉伸加工而成的坚实组合体 其结构如图所示 套管材料有铜 不锈钢及镍基高温合金等 热电偶与套管之间填满了绝缘材料的粉末 目前采用的绝缘材料绝大部分为氧化镁 套管中的热电极有单丝的 双丝的和四丝的 彼此之间互相绝缘 3 薄膜热电偶薄膜热电偶是由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶 这种薄膜热电偶的热端既小又薄 热容量很小 可以用于微小面积上的温度测量 动态响应快 可测量瞬变的表面温度 我国研制成的铁一镍薄膜热电偶如图所示 五 热电偶冷端温度处理方法1 对热电偶冷端温度进行处理的原因热电偶的测温原理表明 热电偶的热电势是两个接点温度的函数差 只有当冷端温度不变时 热电势才是热端温度的单值函数 但在实际应用中 热电偶冷端所处环境温度总有波动 从而使测量得不到正确结果 因此必须对热电偶冷端温度变化的影响采取补偿措施 使热电偶的热电势只反映热端温度 被测温度 的变化 而不受冷端温度变化的影响 2 常用的热电偶冷端温度处理办法 1 计算修正法若温度显示仪表分度时规定热电偶冷端温度为0 而在使用中冷端温度为t0 0 时 根据热电偶的中间温度定律 得知在这种情况下产生的热电势为EAB t 0 EAB t t0 EAB t0 0 式中EAB t 0 冷端为0 热端为t 时的热电势 EAB t t0 冷端为t0 热端为t 时的热电势 即实测值 EAB t0 0 冷端为t0 应加的校正值 举例 用镍铬 镍硅 K 热电偶进行温度测量 热电偶冷端温度t0 35 时产生的热电势为17 537mV 试求热电偶所测的热端温度 思考 采用直接用测得电势查分度表得到温度值 再加上35 计算得到炉温的方法对不对 为什么 现场中利用计算机软件可以方便的实现计算修正 具体方法是 热电偶的输出通过毫伏 电压变换器及模数转换器进入微处理器中 使用一热电阻测量冷端温度 热电阻的阻值经过欧姆 电压变换器及及模数转换器也进入微处理器中 由采样数字量D1和D2分别获得热电偶产生的热电势EAB t t0 及冷端温度t0 然后计算可得EAB t 0 EAB t t0 EAB t0 0 再查取存放在计算机存储器中的分度表 便得到数字量t 这就是热电偶的热端温度值 计算机软件实现热电偶冷端补偿 a 结构框图 b 冷端补偿子程序AB 热电偶 RCu 铜电阻 mV U1 mV 电压变换器 U2 电压变换器 A D 模数转换器 CPU 中央处理单元 AC 采样脉冲 OUT 输出 2 仪表机械零点调整法仪表的机械零点为仪表输入电势为零时 指针停留的刻度点 也就是仪表的刻度起始点 若预知热电偶冷端温度为t0 在测温回路开路情况下 将仪表的刻度起始点调定在t0位置 此时相当于人为给仪表输入热电势EAB t0 0 在接通测温回路后 输入仪表的热电势为EAB t t0 EAB t0 0 EAB t 0 使仪表指针指示热端温度t值 注意 这种补偿方法用于热电偶冷端温度比较恒定而仪表的机械零点调整又很方便的场合 可以和其它补偿方法配合使用 3 恒温法恒温法分为冰点槽法和恒温箱法 冰点槽法 在精密测量中 一般要求热电偶冷端温度保持为0 通常采用冰点槽 冰点槽的容器中充满蒸馏水与碎冰块的混合物 其温度保持为0 冰点槽法是准确度很高的冷端处理方法 然而使用比较麻烦 需要保持冰 水两相共存 一般限于实验室精确测温或热电偶检定时使用 恒温箱法 在现场 常使用电加热式恒温箱 这种恒温箱通过接点控制或其他控制方式维持箱内温度恒定 常为50 可将若干支热电偶的冷端放在恒温箱内 恒温箱法的恒定温度要高于环境温度 4 补偿电桥法 冷端补偿器 补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶冷端温度变化所引起的热电势的变化 补偿原理的分析 1 补偿电桥的输出与铜电阻的关系 2 热电偶的输出随冷端温度的变化情况 3 补偿电桥与热电偶串接时总的输出情况 5 多点测量的热电偶冷端温度补偿 1 利用一块显示仪表和一个冷端温度补偿器的多点测量线路 2 用一只辅助热电偶对多只同型号热电偶冷端进行补偿的线路 辅助热电偶冷端恒温辅助热电偶热端恒温 六 测量信号的线性化处理原因 热电偶的热电势与被测温度之间是非线性关系 不进行线性化处理 可能使仪表显示部分的标尺分度不均匀 不便于读数及信号的进一步处理 有模拟线性化和数字线性化模拟线性化方法 在仪表的各环节中加一个线性化环节 根据线性化环节在仪表中的位置不同 线性化环节可分为串联线性化环节和反馈线性化环节 串联线性化环节设 结论 串联线性化环节的特性应与原非线性环节的输出特性的反函数成正比 串联线性化环节的特性也可用图解法求得 2 反馈线性化环节设结论 反馈线性化环节的特性应与原非线性环节的输出特性相同 工程上常用的方法 用多段直线形成的折线拟合曲线 七 与热电偶配接的显示仪表1 动圈表XCZ 101 1 工作原理 2 环境温度的影响及表内电路 3 测温系统的构成 2 电位差计工作原理 电压平衡分类 手动电位差计电子电位差计 电子电位差计 思考 为什么电位差计的精确度比动圈表的精确度要高 八 热电偶多路温度检测通道 补偿热电偶法硬件补偿热电偶多路温度测量 补偿热电偶法软件补偿热电偶多路温度测量 共用电桥补偿多路热电偶测温 独立电桥补偿多路热电偶测温 基于集成测温芯片的多路测量通道 a 独立集成A D转换 b 共用集成A D转换 九 热电偶温度传感器的应用 串联回路 并联回路 反接回路 热电偶测温的误差分析 1 热电偶的分度误差 2 热电偶冷端温度补偿误差 3 显示仪表误差 4 总误差 十 热电偶的校验1 对热电偶的校验的原因2 校验方法有两种 一种是定点法 就是在国际温标规定的定点温度 如锌 银 金 锑等金属的相平衡点温度 下进行校验 这种方法的特点是精确度高 但设备复杂 校验点数少 而