第8章-热电式传感器2010519.ppt

8.1热电偶传感器一、热电偶测温原理*热电效应（ThermoelectricEffect）：两种不同材料的导体组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应。（1823年，Seebeck),概念：热电势、热电偶、热电极热端（测量端或工作端）、冷端（参考端或自由端）,热电偶回路,热电偶回路中，所产生的热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。,接触电势(Peltier佩尔捷电势)：,接触电势的数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。两接点的接触电势eAB(T)和eAB(T0)可表示为,含义：由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。,含义：同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。温差电势eA(T,T0)和eB(T,T0)可表示为,温差电势(Thomson汤姆逊电势)：,热电偶回路中产生的总热电势：,eAB(T,T0)=eAB(T)eB(T,T0)eAB(T0)eA(T,T0),接触电势温差电势，热电偶的热电势可表示为：,eAB(T,T0)=eAB(T)eB(T,T0)+eBA(T0)+eA(T0,T),eAB(T,T0)=eAB(T)eAB(T0),eAB(T,T0)=eAB(T)eAB(T0)eB(T,T0)eA(T,T0),*讨论：热电势取决于材料和接点温度，与形状、尺寸无关；两热电极A、B相同时，总电动势为0；两接点温度T、T0相同时，总电动势为0；对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB(T0)=c为常数，则总的热电势就只与温度T成单值函数关系，即,可见：只要测出eAB（T,T0）的大小，就能得到被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。,eAB(T,T0)=eAB(T)eAB(T0),eAB(T,T0)=eAB(T)c热电偶测温原理,eAB(T,T0)=eAB(T)eAB(T0),热电偶测温系统简图,二、热电偶基本定律1、均质导体定律由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两种材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极各处的温度分布无关。即热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。,在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。,2、*中间导体定律（如何在热电偶回路中接入导线和仪表？）,应用：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。,eABC(t,t0)=eAB(t)+eBC(t0)+eCA(t0),t=t0时，eBC(t0)+eCA(t0)=-eAB(t0),eABC(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)=eAB(t,t0),具有第三种导体的热电偶回路（中间导体定律）,eABC(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)=eAB(t,t0),eABC(t,t0,t1)=?,3、*中间温度定律,eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0),在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势eAB(t,t0)等于热电偶AB在接点温度t、tc和tc、t0时的热电势eAB(t，tc)和eAB(tc，t0)的代数和，即,应用：在冷端温度为任意恒定值时，利用热电偶分度表求工作端的被测温度。(?),eAB(t,0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,0),中间温度定律,eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0),为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的封装形式有：普通型热电偶铠装型热电偶薄膜型热电偶,三、热电偶的结构形式,1、普通型热电偶,普通型热电偶外形,安装螺纹,优点：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上。,2、铠装型热电偶,铠装型热电偶外形,铠装型热电偶可长达上百米,薄壁金属保护套管（铠体）,3、薄膜热电偶,特点：热接点可以做得很小（m），具有热容量小、反应速度快（s）等特点，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。,工程用热电偶材料应满足条件：热电势变化尽量大，热电势与温度关系尽量接近线性关系，物理、化学性能稳定，易加工，复现性好，便于成批生产，有良好的互换性。,四、热电偶类型,国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐8种标准化热电偶（已列入工业标准化文件中，具有统一的分度表）。我国已采用IEC标准生产热电偶，并按标准分度表生产与之相配的显示仪表。,标准化热电偶的主要性能和特点,标准化热电偶的主要性能和特点,热电偶的分度表（如何根据测得的热电势求被测温度？）,不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即热电偶的分度表。供查阅使用，每10分档。中间值按内插法计算。*热电偶分度表是以冷端温度0作为基准进行分度的。,S型(铂铑10-铂)热电偶分度表,五、热电偶的补偿导线及冷端温度的补偿方法（可以用测得热电势eAB(t,t0)直接查热电偶分度表吗？）当热端温度为t时，分度表所对应的热电势eAB(t,0)与热电偶实际产生的热电势eAB(t,t0)之间关系可根据中间温度定律得到下式：,eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0),可见，eAB(t0,0)是冷端温度t0的函数，因此需要对热电偶冷端温度进行补偿。,热电偶一般做得较短，一般为3502000mm。,1、热电偶补偿导线（如何将冷端引到温度稳定的控制室？）,解决办法：工程中采用一种补偿导线。在0100温度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。,常用补偿导线,补偿导线外形,A,B,屏蔽层,保护层,在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持0。这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。,2、冷端0恒温法（冰浴法）（如何利用测量得到的热电势直接查分度表，以得到被测温度？）,设冷端为0C，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。,K热电偶的分度表,当冷端温度t0不等于0，需要对热电偶回路的测量电势值eAB（t,t0）加以修正。根据中间温度定律得到：,eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0,0),3、*冷端温度修正法（如果冷端温度不是0，如何利用测量的热电势得到被测温度？）,例：用镍铬-镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度t0=30，测得热电势eAB（t,t0）为33.29mV,求加热炉温度。解：查镍铬-镍硅热电偶分度表得eAB（30,0）=1.203mV。,eAB（t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV,查镍铬-镍硅热电偶分度表得t=829.8。,4、*冷端温度自动补偿法（补偿电桥法）（如果冷端温度发生变化，如何处理？）,若冷端温度t0上升：,t0,热电偶典型测温线路普通测温线路；(b)带有补偿器的测温线路；(c)具有温度变送器的测温线路；(d)具有一体化温度变送器的测温线路,六、热电偶测温线路,测量某一点的温度,测量多点温度,热电偶串、并联线路：特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是同一分度号的热电偶，且冷端应在同一温度下。如热电偶正向串联，可获得较大的热电势输出和提高灵敏度；在测量两点温差时，可采用热电偶反向串联；利用热电偶并联可以测量平均温度。,测量两点间温度差（反向串联）,测量平均温度（并联或正向串联）,特点：当有一只热电偶烧断时，难以觉察出来。当然，它也不会中断整个测温系统的工作。,优点：热电动势大，仪表的灵敏度大大增加，且避免了热电偶并联线路存在的缺点，可即可以发现有断路。缺点：只要有一支热电偶断路，整个测温系统将停止工作。,8.2热电阻传感器热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。热电阻(金属热电阻)、热敏电阻(半导体热电阻)。热电阻广泛用来测量200850范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K，高温达1000。标准铂电阻温度计的精确度高，作为复现国际温标的标准仪器。,热电阻的结构,热电阻传感器,热电阻传感器的组成：由热电阻、连接导线及显示仪表组成。,一、常用热电阻对用于制造热电阻材料的要求：具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率；R-t关系最好成线性；物理、化学性能稳定；复现性好等。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。,1、铂热电阻铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应用。按IEC标准，铂热电阻的使用温度范围为-200850。在-2000的温度范围内,Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100),在0850的温度范围内,Rt=R0(1+At+Bt2),目前我国规定工业用铂热电阻有R0=10和R0=100两种，它们的分度号分别为Pt10和Pt100，其中以Pt100为常用。,铂电阻分度表,2、铜热电阻在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测温，它的测量范围为-50150。铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的，可近似地表示为Rt=R0（1+t）=4.2810-3/铜热电阻两种分度号：Cu50(R0=50)和Cu100（R0=100）。,铜热电阻的分度表分度号：Cu50,用热电阻传感器进行测温时，测量电路经常采用电桥电路（？）。热电阻与检测仪表相隔一段距离，因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线制三种。,二、热电阻传感器的测量电路,