2章温度检测3讲 热电偶传感器.ppt

第2章 温度检测,自动检测技术,测量复现性：是在不同测量条件下，如不同的方法，不同的观测者，在不同的检测环境对同一被检测的量进行检测时，其测量结果一致的程度。测量复现性必将成为仪表的重要性能指标。,自动检测技术,半导体热敏电阻的温度特性,电阻定律导体的电阻R跟它的长度L成正比，跟它的横截面积S成反比，还跟导体的材料有关系，这个规律就叫电阻定律，公式为R=L/S。其中：制成电阻的材料电阻率；L：绕制成电阻的导线长度；S：绕制成电阻的导线横截面积；R：电阻值。,自动检测技术,热敏电阻,多是半导体材料,自动检测技术,热敏电阻的过热保护应用,负载电阻,电势差,PTC,U1,U2,自动检测技术,第二章 温度检测,自动检测技术,第二章 温度检测,膨胀式温度计,二,电阻式温度传感器,三,热电偶传感器,四,辐射式温度传感器,五,光纤传感器,六,集成数字温度传感器,七,温标及测温方法,一,自动检测技术,自动检测技术,自动检测技术,热电偶安装图,自动检测技术,有源传感器将非电能量转化为电能量,只转化能量本身,并不转化能量信号的传感器,称为有源传感器,也称为能量转换性传感器或换能器。常常配合有电压测量电路和放大器,如压电式,热电式,磁电式等。与之相对应的是无源传感器。这是按照能量观点来分类的.,2.4 热电偶传感器,自动检测技术,2.4 热电偶传感器,一、热电偶测温原理 温度信号 电压信号1.热电偶的特点温度测量范围宽， 可以测量(-271+2800)以至更高的温度；性能稳定，准确可靠；信号可以远传和记录；结构简单，使用方便；测量端可以做得很小，可用来测“点”的温度；热容量小，因此反应速度很快。,自动检测技术,2.4 热电偶传感器,一、热电偶测温原理2.热电偶的分类按热电偶材料分类：廉金属，贵金属，难熔金属和非金属。按用途和结构分类：普通工业用和专用。,直形、角形和锥形,钢水测温的消耗式热电偶、多点式热电偶和表面测温热电偶,无固定装置、螺纹装置和法兰固定装置等品种,自动检测技术,2.4 热电偶传感器,一、热电偶测温原理3.热电偶的测温原理基于热电效应热电效应：在两种不同的导体(或半导体)A和B组成的闭合回路中，如果它们两个接点的温度不同，则回路中产生一个电动势，通常称为热电动势，这种现象就是热点效应。,自动检测技术,2.4 热电偶传感器,一、热电偶测温原理3.热电偶的测温原理基于热电效应如图所示的回路中，两种丝状的不同导体(或半导体)组成的闭合回路，称为热电偶。导体A或B称之为热电偶的热电极或热偶丝。,自动检测技术,一、热电偶测温原理热电偶产生的电动势有接触电动势和温差电动势两部分组成。接触电动势：由于两种不同导体的电子密度不同而在接触处形成的电动势，又称帕尔贴电动势。,2.4 热电偶传感器,自动检测技术,一、热电偶测温原理接触电动势：在一定温度T下的接触电动势,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 =1.610-19C； k波尔兹曼常数， k =1.3810-23 J/K ； NA(T)、NB(T) 导体A、B在温度为T时的电子密度。由上式可知，接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。温度越高，接触电动势越大；两种导体电子密度的比值越大，接触电动势也越大。,2.4 热电偶传感器,自动检测技术,一、热电偶测温原理温差电动势：是在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电动势。又称汤姆森电动势。,A,EA(T,To),低温端 To,高温端 T,温差电势原理图,2.4 热电偶传感器,自动检测技术,一、热电偶测温原理热电偶回路的热电动势：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TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：整理得：,2.4 热电偶传感器,自动检测技术,有关热电偶的几个结论：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；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；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，与材料A、B的中间各处温度无关。,T0,T,EAB(T),EAB(T0),EA(T,T0),EB(T,T0),A,B,2.4 热电偶传感器,自动检测技术,2.4 热电偶传感器,一、热电偶测温原理4.热电偶基本定律(1)均质导体定律：由一种均质导体或半导体组成的闭合回路，不论其截面、长度如何以及各处的温度如何分布，都不会产生热电动势。热电偶必须采用两种不同材料作为电极。,自动检测技术,2.4 热电偶传感器,一、热电偶测温原理4.热电偶基本定律(2)中间导体定律：在热电偶回路中，接入第三种导体C，只要第三种导体两端温度相同，则热电偶所产生的热电动势保持不变。,热电偶回路中接入多种导体后，只要保证接入的每种导体的温度相同，则对热电偶的热电动势没有影响。,自动检测技术,思 考,中间导体定律非常重要，否则无法使用热电偶！为了测量热电势，必须断开热电偶闭合回路，接入电表及其它电路。有影响吗？,E,T0,T0,T,E,T0,T1,T1,T,自动检测技术,2.4 热电偶传感器,一、热电偶测温原理4.热电偶基本定律(3)中间温度定律：在热电偶回路中，两接点温度为T，T0时的热电动势，等于该热电偶接点温度为T，Ta和Ta，T0时热电动势的代数和。,EAB（T, T0）=EAB（T, Ta）+EAB（Ta, T0）,自动检测技术,2.4 热电偶传感器,一、热电偶测温原理4.热电偶基本定律(4)标准电极定律：当温度为T，T0时，用导体A，B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势之代数和。导体C称为标准电极。,EAB（T, T0）=EAC（T, T0）+ECB（T, T0）,自动检测技术,2.4 热电偶传感器,二、热电极材料及常用热电偶1.热电极材料：材料的要求：在测温范围内，热电性质稳定，不随时间和被测介质变化，物理化学性质稳定，不易氧化或腐蚀。电导率要高，并且电阻温度系数要小。它们组成的热电偶，其热电势随温度的变化率要大，并且希望该变化率在测温范围内接近常数。材料的机械强度要高，复制性要好，复制工艺要简单，价格便宜。,自动检测技术,2.4 热电偶传感器,二、热电极材料及常用热电偶2.标准热电偶铂铑10铂热电偶(S型),工业用热电偶丝：0.5mm，实验室用可更细些。 正极：铂铑合金丝,用90铂和10铑(重量比)冶炼而成。 负极：铂丝。测量温度：长期：1300、短期：1600。特点： 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。用途：实验室或校验其它热电偶。 测量温度较高，一般用来测量1000以上高温。在高温还原性气体中（如气体中含Co、H2等）易被侵蚀，需要用保护套管。材料属贵金属，成本较高。 热电势较弱。,自动检测技术,2.4 热电偶传感器,二、热电极材料及常用热电偶2.标准热电偶铂铑30铂铑6热电偶(B型),正极：铂铑合金（用70铂，30铑冶炼而成）。负极：铂铑合金（用94铂，6铑冶炼而成）。测量温度：长期可到1600，短期可达1800。特点： 材料性能稳定，测量精度高。 还原性气体中易被侵蚀。 低温热电势极小，冷端温度在50以下可不加补偿。 成本高。,自动检测技术,2.4 热电偶传感器,二、热电极材料及常用热电偶2.标准热电偶镍铬镍硅(镍铬镍铝)热电偶(K型),工业用热电偶丝： 1.22.5mm，实验室用可细些。正极：镍铬合金(用88.489.7镍、910铬，0.6硅，0.3锰，0.40.7钴冶炼而成)。负极：镍硅合金(用95.797镍,23硅,0.40.7钴冶炼而成)。测量温度：长期1000，短期1300。特点： 价格比较便宜，在工业上广泛应用。 高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2， H2S等气体中易被侵蚀。 复现性好，热电势大。,自动检测技术,2.4 热电偶传感器,二、热电极材料及常用热电偶2.标准热电偶镍铬考铜热电偶(E型),工业用热电偶丝:1.22mm，实验室用可更细些。正极：镍铬合金负极：考铜合金（用56铜，44镍冶炼而成）。测量温度：长期600，短期800。特点： 价格比较便宜，工业上广泛应用。 在常用热电偶中它产生的热电势最大。 气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变质， 适于在还原性或中性介质中使用。,自动检测技术,自动检测技术,2.4 热电偶传感器,三、热电偶的结构1.普通型热电偶主要用于测量气体、蒸汽、液体等介质的温度。通常都是由热电极、绝缘材料、保护套管和接线盒等主要部分组成。,自动检测技术,2.4 热电偶传感器,三、热电偶的结构2.铠装热电偶：是由热电极、绝缘材料和金属套管经拉伸加工而成的组合体，其断面结构如图所示，分单芯和双芯两种。,图3 铠装式热电偶断面结构示意图 1 金属套管; 2绝缘材料; 3热电极 (a)碰底型; (b)不碰底型; (c)露头型; (d)帽型,优点：是小型化（直径从12mm到0.25mm）、寿命、热惯性小，使用方便。 测温范围在1100以下的有：镍铬镍硅、镍铬考铜铠装式热电偶。,自动检测技术,2.4 热电偶传感器,四、热电偶冷端温度补偿原因：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。,自动检测技术,2.4 热电偶传感器,四、热电偶冷端温度补偿1.补偿导线法,自动检测技术,2.4 热电偶传感器,在使用补偿导线时必须注意：补偿导线只能在规定的范围内与热电偶的热电动势相等或相近。不同型号的热电偶有不同的补偿导线。热电偶和补偿导线的两个接点处要保持同温度。补偿导线有正、负极，需分别与热电偶的正、负极相连。补偿导线的作用只是延伸热电偶的自由端，当自由端t00时，还需进行其他补偿与修正。,自动检测技术,2.4 热电偶传感器,2.计算法：当热电偶冷端温度不是0，而是t0时，根据热电偶中温度定律，可得热电动势的计算校正公式：,自动检测技术,2.4 热电偶传感器,3.补偿电桥法：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。,自动检测技术,2.4 热电偶传感器,4.冰浴法：把热电偶的冷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。,自动检测技术,2.4 热电偶传感器,四、热电偶冷端温度补偿5.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。,自动检测技术,2.4 热电偶传感器,五、常用热电偶测温线路1.测量某点温度的基本电路,自动检测技术,2.4 热电偶传感器,五、常用热电偶测温线路2.测量两点之间温度差的测温电路,自动检测技术,2.4 热电偶传感器,五、常用热电