传感器与检测技术 6燃气热水器加热炉测温系统分析设计

传感器与检测技术燃气热水器加热炉测温系统分析设计——项目导入项目导入燃气热水器加热炉测温系统知识目标能力目标素质目标知识技能素质热电偶工作原理和结构形式标准化热电偶和分度表热电偶应用项目实施热电偶温度检测实验燃气热水器加热炉测温系统分析设计盐浴炉温度控制系统分析设计项目拓评项目小结项目评价传感器与检测技术燃气热水器加热炉测温系统分析设计——项目导入6.1项目导入6.1项目导入一、案例介绍燃气热水器6.1项目导入二、教学目标1）熟悉的工作原理、种类、性能特点和应用场合。2）掌握热电偶的分度表与分度号。3）了解热电偶的补偿导线。4）了解热电偶冷端温度的处理。知识目标1）会根据使用场合、传感器特性选择不同标准热电偶。2）会查询热电偶分度号，计算热电动势和冷端、热端温度。3）会根据要求搭建测温控温系统。能力目标1）具备遵从标准、推崇规范的优良素质。2）具备善于思考、勤于总结的良好习惯。3）具备合作交流、团队协作的品质和意识。4）具备专注负责、爱岗敬业的劳动精神。素质目标传感器与检测技术燃气热水器加热炉测温系统分析设计——相关知识与技能：热电偶工作原理和结构形式6.2相关知识与技能6.2.1热电偶工作原理和结构形式一、热电偶工作原理1.热电效应两种不同的导体或半导体A、B组成一个回路，两结点处的温度不同，则回路中产生一电动势，电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。有源传感器6.2.1热电偶工作原理和结构形式一、热电偶工作原理结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。

热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）

左端称为：测量端（工作端、热端）

热电极B热电势=接触电动势+温差电动势AB6.2.1热电偶工作原理和结构形式一、热电偶工作原理3.温差电动势如图在A、B接触点处发生自由电子扩散现象。使A失去电子带正电，B得到电子带负电，产生热电势:自由电子＋eAB(T)TBA2.接触电动势E(T)ABT>T0时,T端自由电子动能大于T0端,向T0端扩散。则T端为正电位，T0为负电位，形成电位差，称为温差电动势：E(T,T)A06.2.1热电偶工作原理和结构形式一、热电偶工作原理4.热电偶回路的总电动势0假设金属A的电子密度大于金属B，热端温度为T，冷端温度为T，且T>T。0EAB（T）EAB（T0）EA（T，T0）EB（T，T0）EAB（T，T0）=EAB（T）-EAB（T0）+EA（T，T0）-EB（T，T0）6.2.1热电偶工作原理和结构形式一、热电偶工作原理

实践证明，接触电动势起主要作用，所以：当参考端温度恒定时，

热电偶图形符号EAB（T，T0）=EAB（T）-EAB（T0）6.2.1热电偶工作原理和结构形式一、热电偶工作原理（1）热电偶回路中热电动势的大小，只与组成热电偶的导体材料和两接点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关。如果前两者有一个相同，则热电偶回路内的总热电势为0。（2）热电偶AB的热电势与A，B材料的中间温度无关，只与接触点温度有关。结论6.2.1热电偶工作原理和结构形式二、热电偶结构形式1.普通工业热电偶的结构6.2.1热电偶工作原理和结构形式二、热电偶结构形式1.普通工业热电偶的结构接线盒引出线套管

固定螺纹（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）

不锈钢保护管

6.2.1热电偶工作原理和结构形式二、热电偶结构形式2.铠装热电偶的结构铠装型热电偶可长达上百米安装法兰6.2.1热电偶工作原理和结构形式二、热电偶结构形式3.铠装热电偶的结构压铸的接线盒电缆线厚壁保护管6.2.1热电偶工作原理和结构形式二、热电偶结构形式4.其他热电偶外形小形K型热电偶表面热电偶传感器与检测技术燃气热水器加热炉测温系统分析设计——相关知识与技能：标准化热电偶和分度表6.2相关知识与技能6.2.2标准化热电偶和分度表一、标准化热电偶6.2.2标准化热电偶和分度表一、标准化热电偶6.2.2标准化热电偶和分度表一、标准化热电偶哪几种热电偶的测温上限较高？

分析：哪几种热电偶的线性较差？哪一种热电偶的灵敏度较高？哪一种热电偶的灵敏度较低？为什么所有的曲线均过原点（零度点）？EAB（T，0）6.2.2标准化热电偶和分度表一、标准化热电偶论述：5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？几种常用热电偶的测温范围及热电势分度号名称测量温度范围1000

C热电势/mVB铂铑30－铂铑60～1700

C4.834R铂铑13—铂-50～1768

C10.506S铂铑10—铂0～1600

C9.587K镍铬－镍铬(铝)-200～1200

C41.276E镍铬－铜镍(康铜)－200～900

C76.3736.2.2标准化热电偶和分度表二、热电偶分度表

热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法针对不同热电偶，我国国家标准都有相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0

C。

EAB（T，0°C）6.2.2标准化热电偶和分度表二、热电偶分度表S型热电偶分度表6.2.2标准化热电偶和分度表二、热电偶分度表中间温度定律内容：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,即:6.2.2标准化热电偶和分度表二、热电偶分度表【例6-1】用铂铑10-铂（S）热电偶测量温度，已知冷端温度为35℃，测温回路的热电动势为11.767mV，求热端被测温度。【解】：①查S型热电偶分度表得，EAB（40℃，0℃）=0.235mV，EAB（30℃，0℃）=0.173mV，则EAB（35℃，0℃）=[EAB（40℃，0℃）+EAB（30℃，0℃）]/2=0.204mV②用中间温度定律算，EAB（T，0℃）=EAB（T，35℃）+EAB（35℃，0℃）=11.767mV+0.204mV=11.971mV③查S型热电偶分度表，得EAB（1200℃，0℃）=11.947mV，EAB（1210℃，0℃）=12.067mV。④线性化处理T=1200+（11.971-11.947）/（12.067-11.947）*10（℃）=1202℃传感器与检测技术燃气热水器加热炉测温系统分析设计——相关知识与技能：热电偶应用6.2相关知识与技能6.2.3热电偶应用一、热电偶选用①被测温度范围。②所需响应时间。③连接点类型。④热电偶或护套材料的抗化学腐蚀能力。⑤抗磨损或抗震动能力。⑥安装及限制要求等。6.2.3热电偶应用二、热电偶测温线路1.单点测温6.2.3热电偶应用二、热电偶测温线路1.单点测温【例6-2】陶瓷烧制电炉温度测控系统分析设计。china,madeinChina陶瓷，中国制造竹口陶瓷博物馆制作胚体胚体成形并干燥6.2.3热电偶应用二、热电偶测温线路1.单点测温【例6-2】陶瓷烧制电炉温度测控系统分析设计。china,madeinChina陶瓷，中国制造陶艺制作需要精确控制温度，以确保作品的质量。陶器的烧制温度范围为700℃~1000℃。例如，秦始皇陵兵马俑彩绘陶，其烧成温度就在1000℃左右。Q：如何控制电炉内的温度？烧制-上釉-再烧制6.2.3热电偶应用二、热电偶测温线路1.单点测温(1)、系统分析1）测控要求检测电炉温度，并能在700℃~1000℃范围内精准控制。2）系统框图电炉温度传感器温度控制器加热线路温度电压控制信号电能6.2.3热电偶应用二、热电偶测温线路1.单点测温(1)、系统分析3）温度传感器选型？热电阻VS热敏电阻VS热电偶4）热电偶选型请从教材P139页表9-2从国标热电偶中选择

K型：测温范围-270~1370℃，线性、热电势大、价廉6.2.3热电偶应用二、热电偶测温线路1.单点测温(1)、系统分析(2)、测温线路中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。Q：测量电路加入影响测温吗？

热端冷端补偿导线A’B’mVP139图9-3P143图9-96.2.3热电偶应用二、热电偶测温线路1.单点测温(1)、系统分析(2)、测温线路

热端冷端补偿导线A’B’mV补偿导线定义：所谓补偿导线就是用（0～100

C内）热电性质与热电偶相近的材料制成导线，不影响测量精度。补偿导线作用：采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。

6.2.3热电偶应用二、热电偶测温线路1.单点测温(1)、系统分析(2)、测温线路型号配用热电偶正-负导线外皮颜色正-负SCS型：铂铑10-铂红-绿KCK型：镍铬-镍硅红-蓝WC5/26钨铼5-钨铼26

红-橙GB/T4989-2013、GB/T4990-2010、JB/T9496-2014标准化使用热电偶补偿导线

补偿导线在0～100

C范围内的热电势与配套的热电偶的热电势相等，所以不影响测量精度。6.2.3热电偶应用二、热电偶测温线路1.单点测温(1)、系统分析(2)、测温线路A’B’屏蔽层保护层补偿导线外形

GB/T4989-2013、GB/T4990-2010、JB/T9496-20146.2.3热电偶应用二、热电偶测温线路1.单点测温(1)、系统分析(2)、测温线路

热端冷端补偿导线A’B’mV测温线路实例6.2.3热电偶应用二、热电偶测温线路1.单点测温(1)、系统分析(2)、测温线路(3)、信号分析设冷端温度为室温20℃，查P271附录EK型热电偶分度表Q：1000℃对应热电偶输出电压是多少？分析步骤：（1）查冷端温度对应的热电势EAB（20℃，0℃）=0.798mV（2）查热端温度对应的热电势EAB（1000℃，0℃）=41.276mV（3）算回路电压EAB（1000℃，20℃）=EAB（1000℃，0℃）-EAB（20℃，0℃）

=41.276-0.798=40.478mV6.2.3热电偶应用二、热电偶测温线路1.单点测温(1)、系统分析(2)、测温线路(3)、信号分析Q：如何使用温度控制器？热电偶线路接入端子输出端子控制执行器接地端子电源输入端子当热电偶测得的温度达到设定值1000℃时，1-2两端有40.478mV电压，5-6两端变开路，控制执行器加热电炉6.2.3热电偶应用二、热电偶测温线路1.单点测温(1)、系统分析(2)、测温线路(3)、信号分析当热电偶测得的温度达到设定值1000℃时，1-2两端有40.478mV电压，5-6两端变开路，控制执行器加热电炉黄绿红L1

L2

L3

380V

交流接触器三相空气开关温度控制器6.2.3热电偶应用二、热电偶测温线路1.单点测温(1)、系统分析(2)、测温线路(3)、信号分析(4)、系统接线请将右图各有关设备正确地连接起来，组成陶瓷烧制工艺的测温、控温电路。接大地铜排接零铜排热电偶输出端电炉交流接触器三相空气开关温度控制器6.2.3热电偶应用二、热电偶测温线路1.单点测温(1)、系统分析(2)、测温线路(3)、信号分析(4)、系统接线接大地铜排接零铜排热电偶输出端电炉交流接触器三相空气开关温度控制器

当温度控制器测得的温度达到设定值时，5-6两端开路，交流接触器失电，电炉回路被切断。“3”端接何处6.2.3热电偶应用二、热电偶测温线路1.单点测温(1)、系统分析(2)、测温线路(3)、信号分析(4)、系统接线(5)、单点测温拓展

我国现行的《家用燃气灶具》国家标准对嵌入式燃气灶的自动熄火保护功能作了强制性要求，当炉火被外溢的液体浇灭或者被风吹灭时，燃气灶必须能在60秒之内自动切断燃气。燃气灶自动熄火控制：利用热电偶单点测温6.2.3热电偶应用二、热电偶测温线路1.单点测温(1)、系统分析(2)、测温线路(3)、信号分析(4)、系统接线(5)、单点测温拓展

我国现行的《家用燃气灶具》国家标准对嵌入式燃气灶的自动熄火保护功能作了强制性要求，当炉火被外溢的液体浇灭或者被风吹灭时，燃气灶必须能在60秒之内自动切断燃气。燃气灶自动熄火控制：利用热电偶单点测温Q：可否使用热电偶自动切断燃气？检测出火点附近温度判断火焰6.2.3热电偶应用二、热电偶测温线路1.单点测温(1)、系统分析(2)、测温线路(3)、信号分析(4)、系统接线(5)、单点测温拓展燃气灶自动熄火控制：利用热电偶单点测温6.2.3热电偶应用二、热电偶测温线路1.单点测温(1)、系统分析(2)、测温线路(3)、信号分析(4)、系统接线(5)、单点测温拓展燃气灶自动熄火控制：利用热电偶单点测温选型：控制线路？信号分析？安装？接线？请课后完成（借助百度、淘宝查阅资料）S型6.2.3热电偶应用二、热电偶测温线路2.温差测量热电动势1热电动势2补偿导线应保证冷端温度相同mV结论1：热电偶反向串联测温差6.2.3热电偶应用二、热电偶测温线路2.温差测量压力开关燃气分配器进气电磁阀热电偶2热电偶1案例：燃气热水器缺氧、熄火检测和进气控制++结论1：热电偶反向串联测温差6.2.3热电偶应用二、热电偶测温线路3.平均温度测量Q：如何测量熔融炉平均温度？优点：热电动势大，灵敏度增加e1e2e3e1+e2+e3结论2：热电偶同向串联测均温缺点：一支热电偶断路便无法工作6.2.3热电偶应用二、热电偶测温线路3.平均温度测量Q：如何测量熔融炉平均温度？结论3：热电偶同向并联测均温Q：第二种方法？一支热电偶断路，不会影响系统工作，但输出小，灵敏度小传感器与检测技术燃气热水器加热炉测温系统分析设计——相关知识与技能：热电偶温度检测实验6.3项目实施6.3.1热电偶温度检测实验一、热电偶测温实验1．实训器件K型热电偶、E型热电偶、加热源、温度控制仪、数显单元2．实训步骤1）安装K型热电偶2）接线3）上电4）调零5）温度测量与记录6.3.1热电偶温度检测实验一、热电偶测温实验1．实训器件K型热电偶、E型热电偶、加热源、温度控制仪、数显单元2．实训步骤1）重复“热电偶测温实验的”的（1）、（2）、（3）、（4）步骤2）将冷端温度补偿器（0℃）上的热电偶（E型）插入加热器另一插孔中。在补偿器④、③端加补偿器电源+5V，使冷端补偿器工作，并将补偿器的①、②端与放大器R5、R6相接，读取数显表上数据。3）比较补偿前后的数据，根据实验时的室温与E型热电偶分度表，计算因自由端温度变化而产生的温差值。传感器与检测技术燃气热水器加热炉测温系统分析设计——相关知识与技能：燃气热水器加热炉测温系统分析设计6.3项目实施6.3.2燃气热水器加热炉测温系统分析设计一、设计思路6.3.2燃气热水器加热炉测温系统分析设计二、电路分析6.3.2燃气热水器加热炉测温系统分析设计三、安装调试1.元器件检测与焊接组装2．电路调试传感器与检测技术燃气热水器加热炉测温系统分析设计——相关知识与技能：盐浴炉温度控制系统分析设计6.3项目实施6.3.3盐浴炉温度控制系统分析设计一、总体方案分析要求：①盐浴炉常用温度在800～1500℃之间②要求能自动控制盐浴炉温度③可按预设温度曲线进行加热，并可实时显示加温曲线。盐浴炉在热处理工艺中有着极为广泛的用途，控制好盐浴炉的温度，可极大地提高热处理工件的成品率。同时又能使盐浴炉大大降低能耗，经济效益十分可观。6.3.3盐浴炉温度控制系统分析设计一、总体方案分析盐浴炉炉温由热电偶感应，通过信号放大、采样保持、A/D转换，再由单片机进行数据处理及线性化校正，以实现盐浴炉实际温度的检测和显示。本系统采用晶闸管调功实现盐浴炉的温度控制。即通过控制晶闸管导通与关断的周波数比率，从而达到调功的目的。晶闸管的触发由单片机控制，通过单片机编程可方便地实现按预定温度曲线进行加热。6.3.3盐浴炉温度控制系统分析设计二、温度检测电路设计热电偶是测温的一次仪表，对它的选择将直接影响检测精度。目前测温常选用K型热电偶，它具有较好的温度-热电势线性度，便于后续数据处理，但它不宜长期在1300℃左右的高温下使用。因此，这里选用S型铂铑-铂热电偶，其测温范围为0～1600℃，它与K型相比，有较高的精度，但它的线性度较差。

Q：选用什么类型热电偶？6.3.3盐浴炉温度控制系统分析设计二、温度检测电路设计采取每10℃分一段做线性化处理，800～1500℃之间共分70段。在每一段中取各段中点的热电势率K作为各段诸点热电热率的平均值。该近似修正方法误差小，不超过放大电路和A/D转换等环节所产生的误差。6.3.3盐浴炉温度控制系统分析设计二、温度检测电路设计

其