热电式传感器(讲-简版)

第9章热电式传感器2学时,传感器原理64学时,北京化工大学信息科学与技术学院测控系,2012年12月12日续第16讲3学时,第9章热电式传感器第一节热电偶第二节热电阻传感器的防爆标准,热电,传感器原理64,第一节热电偶Thermocouple,热电偶是将温度量转换为电势大小的热电式传感器。自19世纪发现热电效应以来,热电偶被越来越广泛地用来（工业）测量1001300范围内的温度，根据需要还可以用来测量更高或更低的温度。,具有的优点结构简单使用方便精度高热惯性小可测局部温度便于远距离传送与集中校测自动记录等,一、热电效应,热电偶的基本原理两种不同类型金属（丝）的两端分别连接在一起，组成一闭合回路，当两种不同类型金属接触处的温度不同时，回路中就要产生热电势，此现象是1823年塞贝克（T.J.Seebeck）用铜和锑做实验时发现的，称为塞贝克电势。这个物理现象称为金属丝的热电效应。,热电效应原理图如下把两种不同导体材料A、B连接成闭合回路，这种组合称为热电偶。,将两个接点置于温度为T和T0（设TT0），T称为热端（工作端）T0称为冷端（自由端）在该回路会产生电动势（热电势），用EAB(T,T0)表示。,（1）接触电势,所有金属内部都有大量的自由电子，不同金属材料其自由电子密度不同。,设：导体A自由电子密度为nA导体B自由电子密度为nBnAnB,图中：eAB(T)接触点在温度T时的接触电势e电子电荷量，其值e=1.610-19CT接触面的温度nA导体A自由电子密度nB导体B自由电子密度,当两种不同金属接触时，在接触面上因自由电子密度不同而发生电子扩散，,电子扩散速率与导体的自由电子密度有关，和接触区的温度成正比。,设：导体A自由电子密度为nA导体B自由电子密度为nBnAnB,在接触面由A扩散到B的自由电子必然比B扩散到A的电子数多；因此在两种导体的接触面附近，导体A中部分原子失去电子而带正电，导体B中部分原子因获得电子而带负电，在导体A、B接触面上形成一个由A指向B的静电场；这个电场阻碍了电子的继续扩散，当达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，这个电位差称为接触电势，其可表示为：,式中：eAB(T)接触点在温度T时的接触电势e电子电荷量，其值e=1.610-19CK玻耳兹曼常数K=1.3810-23J/KT接触面的温度nA导体A自由电子密度nB导体B自由电子密度,（2）温差电势,单一导体中，如果两端温度不同，在两端间会产生电势，即单一导体的温差电势。,这是由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散（运动），结果高温端中的原子因失去电子而带正电荷，低温端中的原子因得到电子而带负电荷，从而形成一个静电场；这个电场阻碍了电子的继续扩散，当达到动态平衡时，在导体两端形成一个稳定的电位差，即温差电势，其可表示为：,式中：eA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时的温差电势汤姆逊系数，表示单一导体两端温度差为1时产生的温差电势，其值与材料性质和两端温度有关,（3）热电偶回路热电势,对于由导体A、B组成的热电偶闭合回路当温度TT0，nAnB时闭合回路总的热电势为EAB（T,T0），可用下式表示,或写成,式中：nAT，nAT0导体A在接点温度为T和T0时的电子密度nBT，nBT0导体B在接点温度为T和T0时的电子密度A，B导体A和B的汤姆逊系数,EAB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)+-eA(T,T0)+eB(T,T0),在金属导体中自由电子数目很多，但温度不能显著地改变导体中自由电子的动能，所以，在同一种金属导体内，温差电势极小，可以忽略。,因此，在一个热电偶回路中起决定作用的是两个接点处材料的性质和该点所处温度有关的接触电势。故上式可以近似为：,在工程中，常用上式表示热电偶回路的总热电势。从上式可以看出，回路的总电势是随T和T0而变化的，即总电势为T和T0的函数，这在实际使用中不方便。为此，在使用和标定热电势时，使T0为常数，即:,eAB(T0)=f(T0)=C(常数),则上式可写成,EAB(T,T0)=eAB(T)-f(T0)=f(T)-C,EAB(T,T0)=eAB(T)-f(T0)=f(T)-C,上式表明当热电偶回路的一个端点（冷端）保持温度T0不变，则热电势EAB（T,T0）只随另一个端点（热端）的温度T变化而变化，回路总电势是（热端）温度T的单值函数；,两个端点温差（T-T0）越大，回路总电势EAB（T,T0）也越大；这给工程使用带来方便。,二、常用热电偶,目前，常用热电材料分贵金属和普通金属两大类我国使用的热电偶有以下几种,铂铑-铂热电偶,镍铬-镍硅热电偶,分度号为S测温范围：0-1300,分度号为K测温范围：0-1000,镍铬-考铜热电偶,分度号为E测温范围：0-600,分度号为B测温范围：0-1800,分度号为T测温范围：0-1000,铂铑30-铂铑6热电偶,铜-康铜热电偶,三、热电偶的补偿导线,补偿导线,为了使热电偶冷端温度保持恒定，应该把热电偶做的很长，使热电偶冷端远离测量端（环境），并放置到恒温的地方。这种方法安装使用不方便，耗费贵重金属材料。一般不采用。,用一段导线（补偿导线）将热电偶冷端延伸出来，如下图所示。补偿导线在0-100范围内和所连接的热电偶具有相同的热电性能，且其材料是廉价金属。,必须指出，只有当新移的冷端温度恒定时，应用补偿导线才有意义（热电势仅与热端温度有关）。因此，热电偶冷端必须妥善处理。,四、热电偶冷端温度补偿桥路补偿法,U=eAB(t)-eAB(t0)+I1Rcu-I2R3,设：eAB(t0)=I1Rcu通过补偿电阻作用消除冷端的影响R3=0暂不考虑该电阻的作用（其作用为零点迁移）,补偿桥路输出电压U与热点偶的热端温度t（热电势eAB(t)）成单值关系,补偿电阻Rcu为铜电阻，有较大的正温度系数，当温度升高时在铜电阻两端的电压也升高。桥路输出电压为：,设计要求铜电阻必须和热电偶的冷端靠近（处在同一个环境中）,则U=eAB(t),第二节热电阻Resistance,一、常用热电阻,热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性，对和温度有关的参数进行测量的元件。,绝大多数金属具有正的电阻温度系数，利用这一特性制成温度传感器，称为热电阻。,（1）铂电阻,铂电阻的温度特性,Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3),式中：Rt温度为t时铂电阻的电阻值（）R0温度为0时铂电阻的电阻值（）A常数，3.9684710-3/B常数，-5.84710-7/C常数，-4.2210-12/t测量温度,铂电阻的分度号：Pt10测温范围：0-850Pt100测温范围：-200-850,（2）铜电阻,铜电阻的温度特性,Rt=R0（1+t）,式中：Rt温度为t时铜电阻的电阻值（）R0温度为0时铜电阻的电阻值（）常数，4.2889910-3/t测量温度,铜电阻的分度号：Cu50测温范围：-50-150Cu100测温范围：-50-150,桥路输出电压U与热电阻的阻值Rt（热电阻所测量的温度）成单值关系,二、热电阻测量桥路,U=I1Rt+I1r-I2R3-I2r,I1=I2I1r=I2rU=I1Rt-I2R3,三线制,为避免导线电阻对测温的影响，工业应用中采用三线制。桥路输出电压为：,r线路电阻R3作用：零点迁移,热电阻测温电路为什么不采用二线制，而采用三线制？,热电阻Rt与被测温t度成对应关系U=f(t),传感器的防爆标准,防爆规定的标识,传感器的防爆,在石油、化工、冶金等工业生产过程中，有爆炸性、可燃性气体、液体、粉尘存在，所以，要求传感器具有防爆功能。,如何防爆具有防爆的意识掌握防爆的基本知识清楚防爆的原理、方法、分类与标准,爆炸是在同时满足三个条件下发生的：现场存在易燃易爆物质（易燃易爆气体、液体、固体）现场存在氧气现场存在引燃引爆源，如足够能量的电火花、足够高的物体表面温度显然，消除三个条件中的任何一个，就能防爆,传感器的防爆,防爆规定的标识,在实际应用中，防爆仪表在名牌上必须标识、标注防爆标志。从而对仪表的可安装区域和可使用的防爆场合一目了然。,防爆标志的含义：防爆标志用4段英语字母来表示第一字段：第二字段：第三字段：第四字段：,例：ExiaIICT6,防爆声明符合国际标准IEC60079-1:1998（中国）国家标准GB3836-2000防爆方法采用ia级本质安全防爆方法，可安装在0区域气体类别被准许使用IIC类爆炸性气体（氢气）温度组别仪表表面温度不超过85C,传感器的防爆,表示防爆声明表示防爆方法表示气体类别（仪表适用爆炸性气体的类别）表示温度组别（仪表表面温度）,ExiaIICT6,正压型防爆Exp,人为地在危险现场营造一个没有易爆气体的空间，将仪表装在其中。,具体的做法是：将仪表装在一个密封的箱体内，箱体内充满非易燃易爆的惰性气体，并保持箱内气压略大于箱外气压，易燃易爆气体不能进入箱内。,隔爆型防爆Exd,人为地将爆炸局限在一个有限的范围内，该范围内的爆炸不至于引起更大范围的爆炸。,具体的做法是：为仪表设计一个足够坚固的外壳或将仪表及电器安置在一个足够坚固的壳体内，严格按标准设计、制造和安装所有界面，使在机壳内发生的爆炸不至于引发壳外危险性气体的爆炸。显然，这是一种苛刻的防爆方法。不仅设计和制造的规范及其严格，而且安装、接线和维修的操作规程十分严格，容不得一点差错。,传感器的防爆,本质安全防爆Exi,人为地消除引爆源，即消除引爆的火花、消除足以引爆的仪表表面温升。,具体做法是：利用安全栅，将提供给现场仪表的电能量（电源）限制在即不能产生足以引爆的火花，也不能产生足以引爆仪表表面升温。,IEC60079-1:1998国际标准GB3836.2-2000国家标准当安全栅安全区一侧所接设备发生任何故障（不超过250V电压）时，本质安全防爆方法能确保现场的防爆安全。,本质安全防爆要确保对现场仪表进行带电拆装、检查和维修时的防爆安全。,Exia本质安全设备在正常工作时，发生一个故障、发生两个故障时均不能点燃爆炸性气体混合物。,本质安全是最可靠的防爆方法。被准许用在最危险的场合。,传感器的防爆,安全栅防爆原理,安全栅防爆的作用就是控制去现场的能量提供给现场仪表的供电能量保证仪表正常工作，同时在短路的情况下，短路的火花能量不足以点燃现场易燃易爆的物品,电压15VDC电流420mADC试验证明在这样供电情况下，如果发生短路，短路火花的能量很低，不足以点燃易燃易爆物品,安全的能量,二线制现场仪表采用二线制，即仪表的供电线路和测量信号的传送线路均在同一个回路里二线制中电压15VDC、电流420mADC,隔离安栅如何控制去现场的能量,控制去现场能量有两点：控制去现场的电压控制去现场的电流,例：齐纳安全栅齐纳安全栅主要构成元件是齐纳管（也叫稳压二极管）、限流电阻和快速熔断丝,稳压二极管用来控制去现场的电压（供电电压大于5V，二极管导通）,限流电阻用来控制去现场的电流（限制去现场的电流不能超过20mA，限流电阻250）,快速熔断丝如果电流大于20mA，则快速熔断丝熔断,易燃易爆危险场所防爆的等级区域的划分,我国和世界大多数国家一样，将存在有气态或蒸汽状态或雾态爆炸性混合物的危险场所分成三个等级区域：,0区域在此区域内，上述爆炸性混合物在正常工作时持续或长期存在。或每年存在1000h（41.66天）以上。,1区域在此区域内，上述爆炸性混合物在正常工作时偶尔存在。或每年存在10h以上，但不会超过1000h。,2区域在此区域内，上述爆炸性混合物在正常工作时极少存在。即使存在也是短时间的。或者每年只存在不到10h。,传感器的防爆,依照国家标准规范，各等级危险场所适用的防爆方法如下：,0区域Exia本质安全型防爆方法GB3836.4-2000,1区域适用于0区域的防爆方法Exia:本质安全型防爆法GB3836.4-2000Exp:正压型防爆法GB3836.5-2000Exd:隔爆型防爆法GB3836.2-2000Exe:增安型防爆法GB3836.3-2000Exm:浇封型防爆法GB3836.9-2000Exq:充砂型防爆法GB3836.7-2000Exo:充油型防爆法GB3836.6-2000,2区域适用于0区域和1区域的防爆方法Exn:无火化型防爆方法GB3836.8-2000,选用何种防爆方法完全取决于仪表被安装在那个等级的危险场合下。