熱電傳感器演示文稿

1、熱電傳感器演示文稿第一頁，共五十九頁。優(yōu)選熱電傳感器第二頁，共五十九頁。1. 熱電效應(yīng) 2.1 熱 電 偶一 熱電偶的工作原理 第三頁，共五十九頁。BAT0TBAT0T熱電勢(shì) EAB( T,T0 )熱電偶熱電極熱端（工作端）冷端（自由端）第四頁，共五十九頁。（1 ）接觸電動(dòng)勢(shì)接觸電勢(shì)溫差電勢(shì)若金屬A的自由電子密度大于金屬B的，則在同一瞬間由A擴(kuò)散到B的電子將比由B擴(kuò)散到A的電子多，因而A對(duì)于B因失去電子而帶正電，B獲得電子而帶負(fù)電，在接觸處便產(chǎn)生電場(chǎng)。A、B之間便產(chǎn)生了一定的接觸電動(dòng)勢(shì)。熱電勢(shì) EAB( T,T0 )第五頁，共五十九頁。接觸電動(dòng)勢(shì)的大小與兩種金屬的材料、接點(diǎn)的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的

2、直徑、長(zhǎng)度及幾何形狀無關(guān)。 對(duì)于溫度為T的接點(diǎn)，有下列接觸電動(dòng)勢(shì)公式：上式說明接觸電動(dòng)勢(shì)的大小與接點(diǎn)溫度的高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。 第六頁，共五十九頁。對(duì)于任何一種金屬，當(dāng)其兩端溫度不同時(shí)，兩端的自由電子濃度也不同，溫度高的一端濃度大，具有較大的動(dòng)能；溫度低的一端濃度小，動(dòng)能也小。因此高溫端的自由電子要向低溫端擴(kuò)散，高溫端因失去電子而帶正電，低溫端得到電子而帶負(fù)電，形成溫差電動(dòng)勢(shì)，又稱湯姆森電動(dòng)勢(shì)。（2）溫差電動(dòng)勢(shì)第七頁，共五十九頁。溫差電動(dòng)勢(shì)的大小取決于導(dǎo)體的材料及兩端的溫度。導(dǎo)體A兩端的溫差電動(dòng)勢(shì)可用下式表示：eA（T，T0）導(dǎo)體A兩端溫度分別為T、T0時(shí)形成的溫差電動(dòng)勢(shì)；T、T0高、

3、低溫端的絕對(duì)溫度；A湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)。第八頁，共五十九頁。同樣導(dǎo)體B兩端的溫差電動(dòng)勢(shì)如下式所示： 第九頁，共五十九頁。 閉合回路總的熱電勢(shì)ABTT0-eA(T,T0)eB(T,T0)eAB(T)eAB(T0)(3) 回路總電動(dòng)勢(shì)第十頁，共五十九頁。由于在金屬中自由電子數(shù)目很多，溫度對(duì)自由電子密度的影響很小，故溫差電動(dòng)勢(shì)可以忽略不計(jì)，在熱電偶回路中起主要作用的是接觸電動(dòng)勢(shì)。NAT和NAT0可記做NA，NBT和NBT0可記做NB ，則 有在標(biāo)定熱電偶時(shí)，一般使T0為常數(shù)，則 第十一頁，共五十九頁。 熱電偶回路的熱電動(dòng)勢(shì)只與組成熱電偶的材料及兩端接點(diǎn)的溫度有

4、關(guān)；與熱電偶的長(zhǎng)度、粗細(xì)、形狀無關(guān)。2. 熱電偶基本性質(zhì) 只有用不同性質(zhì)的材料才能組合成熱電偶，相同材料不會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。因?yàn)楫?dāng)A、B兩種導(dǎo)體是同一種材料時(shí)，ln（NA/NB）=0，所以EAB（T，T0）=0。第十二頁，共五十九頁。 只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同時(shí)，不同材料組成的熱電偶才能有熱電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生；當(dāng)熱電偶兩端溫度相同時(shí)，不同材料組成的熱電偶也不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，即EAB（T，T0）=0。 導(dǎo)體材料確定后，熱電動(dòng)勢(shì)的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使eAB（T0）=常數(shù)，則回路熱電動(dòng)勢(shì)EAB（T， T0 ）就只與溫度T有關(guān)，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測(cè)溫的基本原理。第十三頁，共五十九

5、頁。 對(duì)于有幾種不同材料串聯(lián)組成的閉合回路，若各接點(diǎn)溫度分別為T1、T2TN ，閉合回路總的熱電動(dòng)勢(shì)為： 第十四頁，共五十九頁。3. 熱電偶基本定律(1) 均質(zhì)導(dǎo)體定律如果熱電偶回路中的兩個(gè)熱電極材料相同，無論兩接點(diǎn)的溫度如何，熱電動(dòng)勢(shì)均為零；反之，如果有熱電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，兩個(gè)熱電極的材料則一定是不同的。根據(jù)這一定律，可以檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料的成分是否相同(稱為同名極檢驗(yàn)法)，也可以檢查熱電極材料的均勻性。第十五頁，共五十九頁。(2) 中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體C，只要第三種導(dǎo)體的兩接點(diǎn)溫度相同，則回路中總的熱電動(dòng)勢(shì)不變。右圖回路中的總電動(dòng)勢(shì)為： T0T0BTAC第十六頁，共五十九頁。

6、如果回路中三個(gè)接點(diǎn)的溫度都相同，即TT0，則回路總電動(dòng)勢(shì)必為零，即：即則第十七頁，共五十九頁。如果按右圖接入第三種導(dǎo)體C，則回路中的總電動(dòng)勢(shì)為：T1CT0T1TAB而所以第十八頁，共五十九頁。(3) 標(biāo)準(zhǔn)電極定律如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)也就可知。T0TEAB (T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC (T,T0)BC第十九頁，共五十九頁。兩式相減得：（*）第二十頁，共五十九頁。若一個(gè)熱電偶由A、B、C三種導(dǎo)體組成，且回路中三個(gè)接點(diǎn)的溫度都相同，則回路總電動(dòng)勢(shì)必為零，即： 或第二十一頁，共五十九頁。即

7、導(dǎo)體A與B組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)也可知。代入（*）式可得：第二十二頁，共五十九頁。解：由標(biāo)準(zhǔn)電極定律，鎳鉻和考銅熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)應(yīng)等于鎳鉻合金與純鉑熱電偶與考銅與純鉑熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)的差，即例2-1 熱端為100、冷端為0時(shí)，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為-4.0mV，求鎳鉻和考銅組合而成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)。2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV第二十三頁，共五十九頁。BBA T2 T1 T3 AAB(4) 中間溫度定律熱電偶在兩接點(diǎn)溫度分別為T、T0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度分別為T、Tn和接點(diǎn)溫度分別為Tn、T0

8、時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。第二十四頁，共五十九頁。證明：即：對(duì)于冷端溫度不是零度時(shí)，熱電偶如何查分度表的問題提供了依據(jù)。第二十五頁，共五十九頁。當(dāng)Tn=0時(shí)，則：上式說明：只要A、B組成的熱電偶在冷端溫度為零時(shí)的“熱電動(dòng)勢(shì) 溫度”關(guān)系已知，則它在冷端溫度不為零時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)即可知。第二十六頁，共五十九頁。中間溫度定律表明：當(dāng)在原來熱電偶回路中分別引入與導(dǎo)體材料A、B相同熱電特性的材料C、D即引入所謂補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，只要它們之間連接的兩點(diǎn)溫度相同，則總回路的熱電動(dòng)勢(shì)與兩連接點(diǎn)溫度無關(guān)，只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。TT1T1T0BADC第二十七頁，共五十九頁。熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線接線圖ABTTnTnCDT0T0

9、M由于A與C、B與D的熱電特性相同，由熱電偶的基本性質(zhì)可知：eAC（Tn）= eBD（Tn）=0，則回路總電動(dòng)勢(shì)為:第二十八頁，共五十九頁。二 常用熱電偶的結(jié)構(gòu)1. 普通工業(yè)用裝配式熱電偶工業(yè)用裝配式熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖接線盒保險(xiǎn)套管絕緣套管熱電偶絲第二十九頁，共五十九頁。2快速反應(yīng)薄膜熱電偶用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣板上而形成薄膜裝熱電偶。其熱接點(diǎn)極薄(0.010.lm) 4123快速反應(yīng)薄膜熱電偶1熱電極; 2熱接點(diǎn);3絕緣基板; 4引出線特別適用于對(duì)壁面溫度的快速測(cè)量。安裝時(shí),用粘結(jié)劑將它粘結(jié)在被測(cè)物體壁面上。尺寸為 6060.2mm; 測(cè)溫范圍在300以下；反應(yīng)時(shí)間僅為幾m

10、s。 第三十頁，共五十九頁。從1988年1月1日起，我國熱電偶和熱電阻的生產(chǎn)全部按國際電工委員會(huì)（IEC）的標(biāo)準(zhǔn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。但其中的R型（鉑銠13-鉑）熱電偶，因其溫度范圍與S型（鉑銠10-鉑）重合,我國沒有生產(chǎn)和使用。 熱電偶的種類 標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶第三十一頁，共五十九頁。(1) 鉑銠30-鉑銠6熱電偶（分度號(hào)B）它的正極是鉑銠絲(鉑70%，銠30%)，負(fù)極也是鉑銠絲(鉑94%，銠6%)，俗稱雙鉑銠。測(cè)量溫度最高長(zhǎng)期可達(dá)1600，短期可達(dá)1800。優(yōu)點(diǎn)是材料性能穩(wěn)定，測(cè)量精度高，測(cè)溫上限高。缺點(diǎn)是在還原性氣體中易被侵蝕，成本高。 第三

11、十二頁，共五十九頁。(2) 鉑銠10-鉑熱電偶（分度號(hào)S）正極是鉑銠絲(鉑90%，銠l0%)，負(fù)極是純鉑絲。測(cè)量溫度最高長(zhǎng)期可達(dá)1300，短期可達(dá)1600，一般用來測(cè)量1000以上的高溫。優(yōu)點(diǎn)是材料性能穩(wěn)定；測(cè)量準(zhǔn)確度較高，可做成標(biāo)準(zhǔn)熱電偶；抗氧化性強(qiáng)，宜在氧化性、惰性氣氛中工作。第三十三頁，共五十九頁。缺點(diǎn)是在高溫還原性氣體中（如氣體中含C、H2等）易被侵蝕，需要用保護(hù)套管；另外其熱電極材料屬貴金屬，成本較高，熱電勢(shì)也較弱。第三十四頁，共五十九頁。正極是鎳鉻合金(88.489.7鎳、910鉻，0.6硅，0.3錳，0.40.7鈷)，負(fù)極為鎳硅(鎳95.797鎳,23硅,0.40.7鈷)。測(cè)溫范

12、圍為-200+1300。優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫范圍很寬、熱電動(dòng)勢(shì)與溫度關(guān)系近似線性、熱電動(dòng)勢(shì)大、高溫下抗氧化能力強(qiáng)、價(jià)格低，所以在工業(yè)上應(yīng)用廣泛。(3) 鎳鉻-鎳硅熱電偶（分度號(hào)K）第三十五頁，共五十九頁。缺點(diǎn)是熱電動(dòng)勢(shì)的穩(wěn)定性和精度較B型或S型熱電偶差，在還原性氣體和含有SO2、H2S等氣體中易被侵蝕。測(cè)量溫度長(zhǎng)期可達(dá)1000，短期可達(dá)1300。第三十六頁，共五十九頁。第三十七頁，共五十九頁。 四 熱電偶的冷端補(bǔ)償方法 1. 冷端恒溫法(1) 冰點(diǎn)槽法將熱電偶的冷端置于冰點(diǎn)槽內(nèi)(冰水混合物)，使冷端溫度處于0，為了避免冰水導(dǎo)電引起兩個(gè)連接點(diǎn)短路，必須把連接點(diǎn)分別置于兩個(gè)玻璃試管里，浸入同一冰點(diǎn)槽，使相互

13、絕緣。這種裝置通常用于實(shí)驗(yàn)室或精密的溫度測(cè)量。第三十八頁，共五十九頁。mVABT銅導(dǎo)線銅導(dǎo)線試管補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶冰點(diǎn)槽冰水溶液T0儀表補(bǔ)償導(dǎo)線冰點(diǎn)槽法第三十九頁，共五十九頁。(2) 其他恒溫器將熱電偶的冷端置于各種恒溫器內(nèi)，使之保持溫度恒定，避免由于環(huán)境溫度的波動(dòng)而引入誤差。這類恒溫器可以是盛有變壓器油的容器，利用變壓器油的熱惰性恒溫；也可以是電加熱的恒溫器。這類恒溫器的溫度不是0，所以最后還需對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端溫度修正。第四十頁，共五十九頁。2. 補(bǔ)償導(dǎo)線法利用補(bǔ)償導(dǎo)線，將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場(chǎng)所(如儀表室)。根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶的兩個(gè)熱電極分別與兩補(bǔ)償導(dǎo)線的接點(diǎn)溫度一致，就不會(huì)

14、影響熱電動(dòng)勢(shì)的輸出。第四十一頁，共五十九頁。例2-2 采用鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)量爐溫。熱端溫度為800，冷端溫度為50。為了進(jìn)行爐溫的調(diào)節(jié)與顯示，必須將熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)送到儀表室，儀表室的環(huán)境溫度恒為20。首先由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出它在冷端溫度為0，熱端溫度分別為800、50、20時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)：E(800，0)33.277mV；第四十二頁，共五十九頁。如果熱電偶與儀表之間直接用銅導(dǎo)線連接，根據(jù)中間導(dǎo)體定律，輸入儀表的熱電動(dòng)勢(shì)為 ：E(50，0)2.022mV；E(20，0)=0.798mV。E(800，50)=E(800，0)-E(50，0)=(33.277-2.022)mV=31

15、.255mV查分度表知，對(duì)應(yīng)31.255mV的溫度是751。與爐內(nèi)真實(shí)溫度相差49。第四十三頁，共五十九頁。如果在熱電偶與儀表之間用補(bǔ)償導(dǎo)線連接，相當(dāng)于將熱電極延伸到儀表室，輸入儀表的熱電動(dòng)勢(shì)為E(800，20)=E(800，0)-E(20，0)=(33.277-0.798)mV=32.479mV查分度表知，對(duì)應(yīng)32.479mV的溫度是781，與爐內(nèi)真實(shí)溫度相差19。 第四十四頁，共五十九頁。若冷端溫度恒定，但并非0，要使測(cè)出的熱電動(dòng)勢(shì)只反映熱端的實(shí)際溫度，則必須對(duì)溫度進(jìn)行修正。修正公式如下：3. 計(jì)算修正法第四十五頁，共五十九頁。例2-3 用鎳鉻-鎳硅熱電偶（K）測(cè)某一水池內(nèi)水的溫度，測(cè)出的

16、熱電動(dòng)勢(shì)為2.436mV。再用溫度計(jì)測(cè)出環(huán)境溫度為30(且恒定)，求池水的真實(shí)溫度。解：由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出E(30，0)= 1.203mVE(T，0)= E(T，30)+E(30，0)=2.436mV+1.203mV=3.639mV所以：查分度表知其對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度為T=88。即池水的真實(shí)溫度是88。第四十六頁，共五十九頁。4. 電橋補(bǔ)償（又稱冷端補(bǔ)償器）法補(bǔ)償電橋U回路輸出電壓為: 只要能滿足下式即可達(dá)到自動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪康?TT0I2I1-BERSR3RcuR1R2A+bT0a+-第四十七頁，共五十九頁。補(bǔ)償原理可概括為：利用補(bǔ)償器產(chǎn)生的不平衡電壓正好補(bǔ)償由于冷端溫度變化引起的熱電勢(shì)變化

17、值，儀表便可指示正確的溫度測(cè)量值。注意：1. 由于電橋是在20平衡，此時(shí)要把溫度表示的機(jī)械零位調(diào)整到20處。2. 不同型號(hào)規(guī)格的冷端補(bǔ)償器與一定的熱電偶配套。第四十八頁，共五十九頁。5. 顯示儀表零位調(diào)整法當(dāng)熱電偶通過補(bǔ)償導(dǎo)線連接顯示儀表時(shí)，如果熱電偶冷端溫度不是0，但十分穩(wěn)定（如恒溫車間或有空調(diào)的場(chǎng)所），可預(yù)先將有零位調(diào)整器的顯示儀表的指針從刻度的初始值調(diào)至已知的冷端溫度值上，這時(shí)顯示儀表的示值即為被測(cè)量的實(shí)際溫度值。第四十九頁，共五十九頁。6. 采用不需要冷端補(bǔ)償?shù)臒犭娕兼団掓囦X熱電偶在300以下，鎳鐵鎳銅熱電偶在50以下，鉑銠30鉑銠6熱電偶在50以下的熱電勢(shì)很小。只要實(shí)際的冷端溫度在其

18、變化范圍內(nèi)，使用這些熱電偶可以不考慮冷端誤差。第五十頁，共五十九頁。7. 補(bǔ)正系數(shù)修正法修正公式：t=t1+ktnt1-工作端測(cè)得的溫度tn-冷端溫度k-修正系數(shù)（通過工作端溫度和熱電偶類型查表）第五十一頁，共五十九頁。五 熱電偶測(cè)溫線路 1. 測(cè)量某一點(diǎn)的溫度單點(diǎn)測(cè)溫線路TnT0T0TnCDMRLEABT第五十二頁，共五十九頁。2. 測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的溫度差測(cè)兩點(diǎn)溫差線路AT2儀表BT1CDT0T0BAC回路內(nèi)的總電動(dòng)勢(shì)為:因?yàn)楣实谖迨摚参迨彭摗?. 熱電偶并聯(lián)線路 并聯(lián)測(cè)量線路T1R1T0T2R2T0T3R3T0儀表ABABAB每只熱電偶的輸出為：回路總的熱電動(dòng)勢(shì)為:銅導(dǎo)線第五十四頁，共五十九頁。4. 熱電偶串聯(lián)線路串聯(lián)測(cè)量線路T1T0T2儀表T3T0ABDDDCCCABAB因?yàn)樗訟和C,B 和D的材料相同第五十五頁，共五十九頁。熱電阻是利用導(dǎo)體材料的電阻隨溫度變化而變化的特性來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量的。 2.2 熱電阻熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢