热电偶传感器11.pptx

1、热电偶传感器,目录： 1.热电偶的工作原理与结构类型； 2.热电偶的型号构成及选用方法； 3.怎样用其 进行温度测量； 4.常见热电偶测温系统的组成与功能。,热电偶传感器,1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说明什么？） 。,从实验到理论：热电效应,第一节 热电偶的工作原理,一、热电效应,显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。,t,自由电子,A,B,EAB (t),两种

2、不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。,从实验到理论：热电效应,第一节 热电偶的工作原理,一、热电效应,热电效应的定义： 将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点(一个称为工作端或热端t，另一个称为自由端或冷端t。)温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。,第一节 热电偶的工作原理,一、热电效应,k玻耳兹曼常数，e电子电荷量， T接触处的温度，NA，NB分别为导体A和B的自由电子密度。

3、,接触电动势,不同材料之间: 节点处电子的扩散所致,第一节 热电偶的工作原理,二、热电势接触电动势,温差电动势,A，B汤姆逊温度系数。,同种材料： 两端温度不同电子运动速度不同所致,第一节 热电偶的工作原理,二、热电势温差电动势,A,B,t,t0,回路中总热电动势：,由于温差电动势很小，而且 的极性相反，两者相互抵消，可忽略不计。 显然，热电偶回路的热电动势 与热电偶电极材料和两接点的温度有关。当电极材料,一定时候，热电偶回路的 成为温度 的函数之差 即， ，若保持冷端 恒温，即冷端为常数，则有： ，此时热电偶回路 只与热端温度 具有单值函数的关系热电偶的工作原理。,2)中间导体定律 在热电偶

4、回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相同，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。,t,t0,V,1)均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。,第一节 热电偶的工作原理,三、热电偶测温基本定律,3)标准热电极定律 当两接点的温度为 时，利用A、B导体组成的热电偶的热电动势等于A、C导体组成的热电偶和C、B导体组成的热电偶的热电动势代数和，即,4)中间温度定律 热电偶在两接点温度t、t0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为t、tn和tn、t0时的相应热电动势的代数和。中间温度定律可以用下式表示：,中间温度定律为补偿导线的

5、使用提供了理论依据。,第一节 热电偶的工作原理,三、热电偶测温基本定律,根据金属的热电效应原理，任意两种不同材料的导体都可以作为热电极组成热电偶。,在实际应用中，用作热电极的材料应具备如下几方面的条件：,(1)温度测量范围广(-2692800)；,(2)性能稳定和复现；,(3)物理化学性能好；,第二节 热电偶的材料、结构及种类,1、热电偶的材料,1）普通工业装配式热电偶的结构,热电偶通常由热电极、绝缘套、保护套管和接线盒等几个主要部分组成。,2、热电偶的结构,第二节 热电偶的材料、结构及种类,2）铠装热电偶的结构,2、热电偶的结构,铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护

6、管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。 铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。,第二节 热电偶的材料、结构及种类,铠装型热电偶外形,法兰,铠装型热电偶可 长达上百米,薄壁金属 保护套管（铠体）,2、热电偶的结构,3）隔爆型热电偶,结构特点：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，它的接线盒是经过压铸而成的，有一定的厚度

7、、隔爆空间，机构强度较高；采用螺纹隔爆接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。 使用场合：工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。,第二节 热电偶的材料、结构及种类,隔爆型热电偶外形,厚壁保护管,压铸的接线盒,电缆线,1）标准型热电偶,2）非标准型热电偶 非标准型热电偶包括铂铑系、铱铑系及钨铼系热电偶等。,主要有：铂铑30-铂铑6热电偶， 分度号“B”； 铂铑10-铂热电偶，分度号“S”； 镍铬

8、-镍硅热电偶 ，分度号“K”； 镍铬-锰白铜热电偶 ，分度号“E”；,第二节 热电偶的材料、结构及种类,3、热电偶的种类,K 热电偶分度表,比较查出的5个热电势，可以看出热电势是否呈线性？,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 。,如何由热电偶的热电势查热端温度值,4. 装配热电偶的型号表示,第二节 热电偶的材料、结构及种类,5、热电偶冷端温度补偿,由于热电偶产生的电势与两端温度有关，只有将冷端温度保持恒定才能使热电势正确反映热端的被测温度。 由于很难保证冷端温度在恒定0，故常采取一些冷端补偿措施，主要有： 温度修正法、 补偿导线法 、 冷端恒温法

9、、 补偿电桥法等几种。,第二节 热电偶的材料、结构及种类,5、冷端补偿（温度修正法、补偿导线法、冷端恒温法、和补偿电桥法）,温度修正法 测量值再加上冷端温度到0 的热电势，如今可利用计算机进行自动计算补偿。 例：用型热电偶测温度，冷端为40 ，测得的热电势为29.188(mV)，求被测温度t。 解：已知 e(t,40)=29.188(mV) 查 E(40,0)=1.611(mV) 故 E(t,0)=29.188+1.611=30.799(mV) 查K型分度表得：T=740 ,实质：中间温度定律,补偿导线法原理 由于受到贵金属材料价格的限制不可能做很长，而要使其冷端不受测温对象的温度影响，必须使

10、冷端远离温度对象，采用补偿导线可以做到这一点。 所谓补偿 导线，实际上是一种廉 价、线径较粗，在0 100温度范围内与配接 的热电偶有相同或相近 的热电特性，作为贵金 属热电偶的延伸线，以 达到冷端温度的修正和 减小误差。,第二节 热电偶的材料、结构及种类,5、冷端补偿（温度修正法、补偿导线法、冷端恒温法、和补偿电桥法）,补偿导线法注意事项 1）热电偶的补偿导线只能与相应型号的热电偶配合使用，且必须同极性相连接。 2）热电偶与补偿导线连接处的温度不应超过100，否则由于热电偶特性不同带来新的误差。 3）只有新延伸的冷端温度恒定或所配显示仪表内具有冷端温度自动补偿时，使用补偿导线才有意义。 4）

11、具体常用热电偶补偿导线的特性见书 页表4-1。,第二节 热电偶的材料、结构及种类,5、冷端补偿（温度修正法、补偿导线法、冷端恒温法、和补偿电桥法）,第二节 热电偶的材料、结构及种类,5、冷端补偿（温度修正法、补偿导线法、冷端恒温法、和补偿电桥法）,补偿导线法 根据 ，只要热电偶和补偿导线的二个接点温度一致，是不会影响热电动势输出的。 下面以炉温测量为例说明补偿导线的修正作用。 如采用镍铬-镍硅(K)热电偶测炉温，热端为800 ，冷 端为50 ，加补偿导线后冷端为20 ，问采用补偿导线后的温度是多少。 先分别查表得： E（800,0）=33.277mV、 E(50,0)=2.022mV、 E(2

12、0,0)=0.798mV。 则不补偿时输入仪表的热电势为： E(800,50)=33.277-2.022=31.255mV（相当于751 ）， 采用补偿导线后则为： E(800,20)=33.277-0.798=32.479mV（相当于781 ），,中间温度定律,第二节 热电偶的材料、结构及种类,5、冷端补偿（温度修正法、补偿导线法、冷端恒温法、和补偿电桥法）,冷端恒温法 0恒温器 将热电偶的冷端置于温度为0的恒温器内。 主要用于实验室或精密的温度测量。 （冰浴法） 其他恒温器 将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使之保持温度恒定，避免由于环境温度的波动而引入误差。这类恒温器的温度不为0，需对热电

13、偶进行冷端(t。)温度修正。,第二节 热电偶的材料、结构及种类,5、冷端补偿（温度修正法、补偿导线法、冷端恒温法、和补偿电桥法）,补偿电桥法工作原理 由 可知，热电偶电动势 随着冷端温度t。的增减而相应的减增；设温度增加为 ，则 减小 ， 为热电偶在t。附近的灵敏度；若补偿电路产生一个补偿电动势 ， 为补偿电路在t。附近的灵敏度，使得 ,即 ，此时 加到热电偶的热电动势 中去，达 到完全补偿。,右图中 为阻值不随温度变化的猛铜电阻， 为具有正电阻温度系数的铜电阻，由这4个电阻组成一个不平衡电桥。,补偿电桥法原理线图,电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起

14、的热电势变化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。,第二节 热电偶的材料、结构及种类,5、冷端补偿（温度修正法、补偿导线法、冷端恒温法、和补偿电桥法）,补偿电桥法注意事项,1）由于电桥是在20平衡的，采用这种方法补偿时，必须把显示仪表的机械零点调整到20。 2）冷端补偿只能与相应型号的热电偶配合使用，不能配错冷端补偿器的型号，否则会发生较大误差。 3）不能接错冷端补偿器的极性，否则不但起不到补偿作用，反而引起更大误差。 4）有些仪器内部已含有冷端补偿电路，不必再对此类电路做冷端补偿。,第三节 热电偶的应用及配套仪表,由于我国生产的热电偶均符合ITS-90国际温标所规定的标准，其一致性非常

15、好，所以国家又规定了与每一种标准热电偶配套的仪表，它们的显示值为温度，而且均已线性化。国家标准的动圈式显示仪表命名为XC系列。有指示型（XCZ）和指示调节型（XCT）等系列品种。与K型热电偶配套的动圈仪表型号为XCZ-101或XCT-101等。数字式仪表也有指示型（XMZ）和指示调节型（XMT）等几种系列品种。,XCZ系列指针式显示仪表,XC系列动圈式仪表测量机构的核心部件是一个磁电式毫伏计。动圈式仪表与热电偶配套测温时，热电偶、连接导线（补偿导线）、调整电阻和显示仪表组成了一个闭合回路。,1热电偶 2补偿导线 3冷端补偿器 4外接调整电阻 5铜导线 6动圈 7张丝 8磁钢（极靴） 9指针 1

16、0刻度面板,XMZ系列智能数字显示仪表,特点： 1、带冷端温度自动补偿； 2、单片机智能化设计，仪表零点、量程等全部参数可按键设定； 3、具有软件校验功能，可通过按键对仪表进行校准； 4、具有超量程指示、断线指示等故障自诊断功能； 5、采用开关电源，电压适应范围宽，仪表体积小、重量轻。 6、220VAC或24VDC供电电源。,XMT系列热电偶智能数字显示控制仪表的特点,带冷端温度自动补偿； 具有超量程指示、断线指示等故障自诊断功能； 双屏显示、副屏显示内容可设定； 最多可带4路报警控制继电器输出； 每个报警控制点的回差可设定； 每个报警控制点的报警方式（上限报警或下限报警）可分别设定。,DDZ型电动单元组合仪表中的变送单元之一： 轨装式温度变送器,它能将热电偶（或热电阻）的输入信号线性地转换成与温度成比例的电流（电压）信号，供给显示、控制仪表及计算机集散