传感器与检测技术 6ppt课件

工作6.1热电偶测温，工作6.2热电阻测量温度，项目6温度测量，知识目标学习热电偶和热电阻的工作原理，熟悉常用热电极材料的类型、性能特性。能力目标可以学习识别一般温度检测元件和温度测量仪，使用热电偶和热电阻，并通过使用说明书检查温度测量元件的技术参数，解决简单的温度检测问题。工作6.1热电偶温度测量，*工作导入，轧制过程中钢坯的轧制温度将直接影响产品质量，钢坯温度控制的好坏将直接影响产品质量，加热炉的炉温在950 1200 之间，可以根据轧机轧制节奏的变化随时调整，可以有效地控制加热炉的温度，直接影响钢坯的质量和成本。本工作是为了控制轧制工艺钢坯的温度，选择温度传感器进行温度测量。基本知识和技术、热电偶识别、热电偶是工程中常用的一种温度感应传感器，是测量时不需要额外电源，将测量温度直接转换为电位输出的自发电传感器。将热电偶应用于温度测量具有结构简单、使用方便、测量精度高、测量范围广等优点。常用热电偶的测量范围为-50 1600 。使用特殊材料时，测量范围更大，某些特殊热电偶可以测量到-270(如金-铁镍铬)，最高可测量到2800(如钨铼)。6.1.1热电偶工作原理，1 .热电效应如果两个不同的导体或半导体a和b形成一个回路，两端相互连接，则两个节点的温度不同的一个电路产生emf，电流形成的现象称为“热电效应”。如图所示，由两个导体组成的闭合回路称为热电偶，电路的电势称为热电。两个导体a和b称为热电极。测量温度时，两个热电极中的一个的接触1被放置在测量的温度场(t)中，该点称为测量端，也称为工作端或热端。其他接点2放置在称为参考端点或自由端点、冷端点的固定温度(T0)处。热电偶测温电路图，6.1.1热电偶工作原理，2 .热电势的构成热电偶电路内发生的热电势包括接触电位和温差电位两部分，以下以导体为例说明热电势的产生。(1)接触电位是不同金属材料的自由电子密度不同，因此如果两个不同的金属导体接触，接触面会发生电子扩散。电子的扩散速度与两个导体的电子密度相关，与接触区域的温度成正比。如果将导体a和b的自由电子密度设置为NA和NB，并使用NANB，则由于电子扩散，导体a带正电荷，导体b带负电荷以获得电子，在接触面形成电场。该电场阻止电子继续扩散，达到动态平衡，在接触区域形成稳定的电位差，即接触电动势，如图所示。接触电位，6.1.1热电偶的工作原理，2。热电势的构成(2)温差电位在同一个导体上，两端温度不同的话，两端产生emf，即单个导体的温差电动势。这是导体的自由电子在高温的末端具有很大的动能，因此扩散到低温末端的结果。高温端失去电子，带正电，低温端得到电子，带负电，因此高温终端之间形成电位差。温差电动势的大小与导体的性质和两端的温差有关。6.1.1热电偶工作原理，结论：1)热电偶的两个热电极必须是两种不同材料的均匀导体。否则，热电偶电路的总电势零点。2)热电偶2触点温度不应相同。否则，热电偶电路的总热电势也为零。3)热电偶材料均匀时，热电偶的热电电势只与两个触点温度相关，无论热电偶的大小、形状如何。、6.1.2热电偶材料和结构，1 .热电偶材料根据金属的热电效应原理，任意两种不同材料的导体可以用热电极构成热电偶，但在实际应用中用作热电极的材料必须具备以下条件：(1)热电势必须充分；(2)热电性能稳定，热电势与温度有单值关系或简单函数关系；(3)电阻温度系数和电阻率必须小。(4)复制方便，公正性和可交换性好，易于开发统一索引表，材料要有一定的韧性，焊接性能好，有利于制作。常用热电偶材料包括铂铑、镍铬、镍硅、钢铜、镍铜、纯铂线材等。6.1.2热电偶材料和结构，(1)普通热电偶。这种类型的热电偶形状主要用于测量气体、蒸汽和液体等介质的温度，热电偶通常由几个主要部分组成，如热电极、绝缘管、保护套管和接线盒。该热电极是一端焊接的两根电线，在两个热电极之间用绝缘管绝缘。1热电极2绝缘套管3保护套管4接线盒常规热电偶结构，6.1.2热电偶材料和结构，(2)手套热电偶(电缆)。热电极、绝缘材料和金属保护套结合，拉伸加工。根据测量部的形态，可分为地板类型、地板不接触、露头类型、帽子类型。装甲热电偶有多种优点，包括曲线、高压、快速热响应时间和坚固耐用，实际上适用于位置小、结构复杂的测量对象，如图所示。手套热电偶、6.1.2热电偶材料和结构、(3)薄膜热电偶是通过真空沉积(或真空溅射)、化学涂层等工艺在绝缘基板上沉积热电极材料而形成的一层金属薄膜。热电偶测量端小而薄(厚度可达0.01 0.1 m)，因此热惯性小，反应快，可用于测量瞬态表面温度和小区域的温度。薄膜热电偶分为薄片，针等。(4)表面热电偶。表面热电偶用于测量各种状态下的固体表面温度，例如轧辊、金属块、炉壁、橡胶管和涡轮叶片等表面温度测量。(5)浸没热电偶。浸没热电偶主要用于测量液体金属温度，可以直接插入液体金属，常用于钢水、铁水、铜水、铝水和熔体合金温度的测量。6.1.3热电偶的温度补偿表明热电偶发生的热电偶发生原理与两端温度有关。热电势只有冷端温度恒定，才是热端温度的单值函数。热电偶分度表是在冷端温度为0 时执行的，因此建议将冷端温度保持在0 ，以正确反映热端温度。但是，在实际应用中，热电偶的冷端通常接近被测试的对象，受到环境温度的影响，温度不稳定。为此，需要采取一些适当的措施进行补偿或修改，一般方法是，1.0 恒温法将热电偶的基准端放置在0的恒温容器中，使基准端温度始终为0。此方法仅适用于实验室或精密温度测量。6.1.3热电偶的温度补偿，2 .参考端恒温方法在实际测量中经常很难使参考端在0 保持不变，因此可以使参考端在室温Tn下保持不变。通常，使用温度调节器对准热电偶的参考端，或将参考端放置在温度变化较慢的大油罐上。3。桥梁补偿方法。如果达到基准侧恒温温度也有困难，可以使用桥梁修正方法。桥梁修正原理图，6.1.3热电偶温度补偿，4 .补偿导线方法。校正导线方法也称为基准端延长法，在实际工作中，热电偶通常放置在测量的温度场中，这表明仪表和温度场之间经常相距很远。热电偶材料通常是贵金属，从经济角度来看，通常用于完成此远距离连接的低成本补偿导线，使用的连接线称为参考端补偿导线或延长线。所谓补偿电线，实际上是在0 150 的温度范围内，具有与连接的热电偶相匹配的热电特性的一对材料化学成分不同的电线，但价格相对便宜。校正布线方法图，如图所示。在此方法中，热电极的延伸部分是其他两种金属(称为参考端修正导线)的长导线p和q。，参考端扩展法图解，*操作实施：根据轧制炉温度测量范围和使用要求结合热电偶相关知识，选择具有最佳性价比的镍铬镍硅(k)热电偶作为温度测量传感器。如图所示，将热电偶的热端插入高炉，检测炉温t，冷却端补偿导线，连接到测量设备的输入铜线，插入冰瓶，确保t0=0 。此时，通过用测量计测量的热电势，可以确定高炉的实际温度。测量炉温度图、任务6.2热阻温度测量、*任务介绍、炼油、化工行业常用气化炉，高炉正常温度约为1300，甚至1500 以上。炉子里的砖在高温下熔化，加热的气体和熔化的炉渣冲洗，耐火砖继续变薄。高炉内的耐火砖变薄或脱落，热气体通过砖缝侵入气化炉的墙壁，表面温度升高，煤气炉的金属外壳强度降低，设备不安全。该课题的任务是检测煤气炉表面温度，发出警报，及时更换耐火砖的时间。气化炉的压力为6.5MPa(G)，炉面温度在400 450之间，正常值在425 左右。根据传感器温度测量范围，选择热阻温度传感器作为温度测量组件，可以配置温度报警系统。热阻温度传感器如何测量温度？其结构和特征是什么？基本知识和技术，对电阻温度传感器的认识，电阻温度传感器是将温度变化转换为温度敏感组件的电阻变化，通过电路转换为电压或电流信号输出。它是利用导体或半导体材料的电阻值随温度变化而变化的原理进行温度测量的。也就是说，材料的电阻随温度变化。这种现象称为热阻效应，金属导体制成的温度测量部件一般称为金属热阻，又称热阻。半导体材料制成的温度测量部件半导体热阻，又名热敏电阻。6.2.1热阻，1 .热阻基本工作原理热阻通常由基于此特性的纯金属制成，金属导体的电阻值随着温度的增加而增加。热电阻是中低温区域(200 650)内最常用的温度测量敏感元件之一。主要特征是测量精度高，性能稳定。常用金属热电阻主要是铂电阻和铜电阻。6.2.1热阻，2 .常用热电偶(1)铂电阻铂电阻是目前制造热电阻的最佳材料，具有稳定的性能、良好的重复性、高测量精度、电阻值和温度之间非常相似的线性关系。缺点是电阻温度系数小，价格高。铂电阻主要用于制造标准电阻温度计，测量范围一般为-200 650 。根据ITS-1990标准，国内集成设计中最常用的工业铂电阻为Pt100和Pt1000，即0 时的铂电阻R0值为100和1000。6.2.1热阻，2 .常用热电偶(2)铜电阻铜材料易于提纯，电阻温度系数大，接近铜电阻的电阻和温度之间的线性关系，铜价格比较便宜。铜电阻的缺点是电阻率小，体积大，稳定性差，容易氧化。如果某些测量精度要求不高，温度测量范围小(-50 150)，则通常使用铜电阻。我国常用的铜电阻为Cu50和Cu100，即0 时电阻R0值为50和100，铜电阻与温度的关系可以确定热阻分度表Cu50或Cu100。(3)其他热阻镍和铁的电阻温度系数大，电阻率高，可用于制造体积大、灵敏度高的热阻。容易氧化，化学稳定性差，精炼不容易，重复性和线性性差，所以应用还不多。，6.2.1热阻，3 .热阻的结构可以在测量良好的环境、无腐蚀性的气体或固体表面温度时直接使用电阻温度检测元件。但是，在测量液体或测量环境恶劣的情况下，不能直接使用电阻式温度敏感元件，所以要在表面盖上保护罩进行保护。在工业测量过程中，使用防腐蚀、防冲击、延长寿命、易于安装、布线，一般有以下四种标准结构：(1)常规热阻温度传感器(2)手套热阻温度传感器(3)端热阻温度传感器(4)防爆热阻温度传感器，6.2.1热阻，4。热阻测量电路最常用的热阻温度测量电路是桥电路，如图所示。在图中，R1、R2、R3和Rt(或Rq、RM)是构成桥的四个桥臂。其中，Rt是热阻，Rq和RM是电阻(电位器)，分别调整零点和总刻度。测量时，通过将s切换到“1”位置，调整Rq将仪表显示设置为0，然后将s拉到“3”位置，调整RM将仪表显示调整为完整刻度，然后将s拉到“2”位置，可以正常测量。热阻温度测量电路，6.2.1热阻，在实际应用中，热阻敏感元件安装在测量现场，感受测量介质的温度变化，而测量电路，显示仪表安装在远离现场的控制室，热阻的导电阻对测量结果有很大影响，可能引起测量错误。为了克服环境温度的影响，经常使用三线单臂电桥电路。下图显示了热电阻的三线连接方法。热阻测量桥的三线连接，6.2.2热敏电阻，1。热敏电阻的特性热敏电阻是一种由半导体电阻制成的新型半导体温度测量组件，其电阻值随温度变化很大。通常使用重金属锰、钛、钴等材料在高温下烧结制成。与金属热电阻相比，半导体材料制成的热敏电阻有以下特点。电阻温度系数大，灵敏度高，比金属电阻大两倍；结构简单，尺寸小；电阻率高，热惯性小，适合动态测量。电阻和温度变化呈非线性关系。稳定性和兼容性相对较差。热敏电阻的一般结构和标记如图所示。a)圆形热敏电阻b)圆柱热敏电阻c)珠热敏电阻d)厚膜f)图形符号1-热敏电阻2-玻璃外壳3-引线4-铜外壳5-传热安装孔热敏电阻的结构和符号，6.2.2热敏电阻，2热敏电阻的分类热敏电阻一般根据温度特性分为两类。负温度系数热敏电阻NTC，正温度系数热敏电阻PTC。NTC和PTC热敏电阻都可以细分为指数变化型和突变