第五章 热电偶传感器PPT讲稿.ppt

第五章第五章 热电偶传感热电偶传感器器第1页，共58页，编辑于2022年，星期三四种常用温标：四种常用温标：（1）摄氏温标（）摄氏温标（）摄氏温标规定在标准大气压下，水的冰点为0，水的沸点为100，并将两固定点之间等分100份，每一份称为摄氏一度，一般用“”表示摄氏度数。（2）华氏温标（）华氏温标（）华氏温标规定在标准大气压下，水的冰点为32，水的沸点为212，在这两个固定点之间划分180等份，每一份称为华氏一度，用“”表示。华氏温标与摄氏温标有如下关系：华氏温标与摄氏温标有如下关系：tF=1.8t+32 式中，tF、t分别表示华氏温度值和摄氏温度值。温度和温标 第2页，共58页，编辑于2022年，星期三（3）热力学温标（）热力学温标（K）热力学温标是建立在热力学第二定律基础之上的一种理想温标，它与物质性质无关。是纯理论性的，无法直接加以实现。（4）90国际温标（国际温标（ITS90）ITS90同时使用国际开尔文温度（符号T90）和国际实用摄氏温度（符号t90）。T90与与t90的关系为：的关系为：t90=T90273.15 式中，T90的单位是开尔文（K），t90的单位是摄氏度（）。这里摄氏度与开尔文温度分度值相同，即温度间隔lK等于1。第3页，共58页，编辑于2022年，星期三例题例题例例5-1 已知某点温度为10，将该温度转换为华式温标和90国际温标。解：解：根据各种温标间的关系m=1.8n+32=(1.810+32)=50T90=t90+273.15=(10+273.15)K =283.15K第4页，共58页，编辑于2022年，星期三一、热电偶的测温原理一、热电偶的测温原理热电效应热电效应：把两种不同材料的金属导体（或半导体）A和B连接成闭合回路，若两个接点温度t与t0不相等，则回路中就会产生热电动势，这一现象称为热电效应。参比端（冷参比端（冷端或自由端）端或自由端）热电势热电势热电极热电极A A热电极热电极B B 测量端测量端（热端或工（热端或工作端）作端）第5页，共58页，编辑于2022年，星期三 两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电势则称为“热电势”，热电偶的两个结点，一个称为测量端（工作端或热端），另一个称为参考端（自由端或冷端）。热电势由两部分组成：1、两种导体的接触电势 2、单一导体的温差电势。第6页，共58页，编辑于2022年，星期三1、接触电动势 第7页，共58页，编辑于2022年，星期三2、温差电动势：tUA(t)t0 UA(t0)UA(t,t0)tt0 UA(t,t0)=UA(t)-UA(t0)第8页，共58页，编辑于2022年，星期三（3）热电偶回路的总电动势 第9页，共58页，编辑于2022年，星期三结论：结论：1）电极材料相同，总电势为零；2）冷、热端温度相同，总电势为零；3）电极材料不同，温度相同，热电势不同；4）冷端温度保持不变，则热电势为热端温度的单值函数。第10页，共58页，编辑于2022年，星期三二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律1、中间导体定律、中间导体定律 在热电偶回路中引入第三种导体，只要第三种导体两端的温度相同，则此第三种导体的引入不会影响热电偶回路的热电动势。第11页，共58页，编辑于2022年，星期三测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路 第12页，共58页，编辑于2022年，星期三中间导体定律具有如下实用价值：1显示仪表显示仪表 2连接导线连接导线 3热电极热电极A4热电极热电极B 5液态金属液态金属 6固态金属固态金属第13页，共58页，编辑于2022年，星期三2、标准电极定律、标准电极定律 实用价值：只要知道某两种金属导体分别与标准电极相配的分度表，就可以计算出这两种导体组成的热电偶的分度表。第14页，共58页，编辑于2022年，星期三3、中间温度定律、中间温度定律 第15页，共58页，编辑于2022年，星期三中间温度定律具有如下实用价值：1）为在热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。2）为制定和使用热电偶分度表奠定了基础。第16页，共58页，编辑于2022年，星期三三、热电偶的材料三、热电偶的材料1）热电动势及热电动势率要大，保证足够的灵敏度。2）热电特性最好是线性或近似线性的单值函数关系。3）能在较宽的温度范围内使用，物理、化学性质要稳定。4）要有高的电导率、小的电阻温度系数及小的导热系数。5）复制性要好，即用同一种材料制成的热电偶其热电特 性要一致，这样便于制作统一的分度表。6）材料组织要均匀，具有良好的韧性，焊接性能好，以 便热电偶的制作。7）资源要丰富，价格低廉。第17页，共58页，编辑于2022年，星期三四、热电偶的种类四、热电偶的种类标准化热电偶标准化热电偶 1）铂铑10铂热电偶（S型）2）铂铑13铂热电偶（R型）3）铂铑30铂铑6热电偶（B型）4）镍铬镍硅热电偶（K型）5）镍铬硅镍硅热电偶（N型）6）镍铬康铜（E型）7）铁康铜（J型）8）铜康铜（T型）第18页，共58页，编辑于2022年，星期三见书见书23页页第19页，共58页，编辑于2022年，星期三热电偶分度表不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表。供查阅使用，每10分档。中间值按内插法计算。第20页，共58页，编辑于2022年，星期三例例5-2 用镍铬镍硅（K型）热电偶测量炉温，热电偶的冷端温度为40，测得的热电动势为35.72mV，问被测炉温为多少?解：解：查K型热电偶分度表知E(40,0)=1.611mV测得：E(t,40)=35.72mV则：E(t,0)=E(t,40)+E(40,0)=(35.72+1.611)mV=37.331mV查分度表知t=900.1，则被测炉温为900.1。第21页，共58页，编辑于2022年，星期三五、热电偶的结构形式五、热电偶的结构形式 （1）普通型热电偶（2）铠装型热电偶（3）薄膜型热电偶 铠装型热电偶可铠装型热电偶可长达上百米长达上百米第22页，共58页，编辑于2022年，星期三普通装配型热电偶的结构放大图 接线盒接线盒引出线套管引出线套管 固定螺纹固定螺纹（出厂时用塑料包裹）（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端）不锈钢不锈钢保护管保护管 第23页，共58页，编辑于2022年，星期三铠装型热电偶外形法兰法兰铠装型热电偶可铠装型热电偶可 长长达上百米达上百米薄壁金属薄壁金属 保保护套管（铠护套管（铠体）体）BA绝缘绝缘 材料材料铠装型热电偶横铠装型热电偶横截面截面第24页，共58页，编辑于2022年，星期三隔爆型热电偶外形厚壁保护管厚壁保护管压铸的接线盒压铸的接线盒电缆线电缆线第25页，共58页，编辑于2022年，星期三 薄膜热电偶薄膜热电偶第26页，共58页，编辑于2022年，星期三六、热电偶的冷端温度补偿六、热电偶的冷端温度补偿1、补偿导线法补偿导线补偿导线：在100以下的温度范围内，热电特性与所配热电偶相同且价格便宜的导线，称为补偿导线。补偿导线的作用补偿导线的作用：就是延长热电极，即将热电偶的冷端延伸到温度相对稳定区。补偿导线的型号补偿导线的型号：延伸型补偿导线用于廉金属热电偶；X补偿型补偿导线用于贵金属热电偶和某些非标准热电偶。C第27页，共58页，编辑于2022年，星期三补偿导线连接示意图补偿导线连接示意图 第28页，共58页，编辑于2022年，星期三补偿导线外形 AB屏蔽层屏蔽层保护层保护层第29页，共58页，编辑于2022年，星期三补偿导线型号4.2795.2646.3192.744 0.647100100 C C时的时的热电势热电势/mV/mVTXTXJXJXEXEXNC NC RCRC型号型号导线外皮导线外皮颜色颜色 正正-负负配用热电偶配用热电偶正正-负负型号型号红红-白白 T T（铜铜铜镍铜镍 ）TXTX红红-紫紫J J（铁铁铜镍铜镍）JXJX红红-棕棕 E E（镍铬镍铬铜镍铜镍）EXEX红红-黄黄 N N（镍铬镍铬硅硅镍镍硅硅）NC NC 红红-绿绿 R R（铂铑（铂铑1313铂）铂）RCRC第30页，共58页，编辑于2022年，星期三例5-3 用镍铬镍硅热电偶(K)测量某一实际为1000的对象温度。所配用仪表在温度为20的控制室里，设热电偶冷端温度为50。当热电偶与仪表之间用补偿导线或普通铜导线连接时，测得温度各为多少?又与实际温度相差多少?第31页，共58页，编辑于2022年，星期三解：解：查K型热电偶分度表，得E(1000,0)=41.269mV，E(50,0)=2.022mV，E(20,0)=0.798mV。若用补偿导线，仪表测得热电动势值为E(1000,20)=E(1000,0)E(20,0)=40.471mV查分度表得对应的温度为979.6若用铜导线，仪表测得热电动势值为E(1000,50)=E(1000,0)E(50,0)=39.247mV查分度表得对应的温度为948.4两种方法测得的温度相差31.2，测量误差分别为20.4和51.6。第32页，共58页，编辑于2022年，星期三2、冷端恒温法、冷端恒温法 1）冰浴法 2）恒温箱法 3）恒温室法 第33页，共58页，编辑于2022年，星期三3、计算校正法1）准确计算校正法根据中间温度定律，对测得热电动势进行修正。适用于适用于实验室中用直流电位差计来测温的情况。2）近似计算校正法 K的取值：K型热电偶，在01000范围内，K1；S型热电偶，在8001300，K=0.60.5第34页，共58页，编辑于2022年，星期三例5-4 用分度号为S的铂铑10铂热电偶测炉温，其冷端温度为30，而直流电位差计测得的热电动势为9.481mV，试求被测温度。再查该分度表得被测温度t=1006.5。若不进行校正，则所测9.481mV对应的温度为991，误差15.5。解：解：查铂铑10铂热电偶分度表，得E(30,0)=0.173mV，根据中间温度定律得 第35页，共58页，编辑于2022年，星期三例5-5解：解：在l000左右，铂铑10铂热电偶的校正系数可近似取0.55，因此按修正公式可得炉温t t=t+Ktn=(991+0.5530)=1007.5与例5-4相比可以看出，近似计算法仅比准确计算方法相差1。这说明此种方法在一些精度要求不高的现场是可以使用的。用S型热电偶测炉温，其冷端温度为30，显示仪表的指示值为991，试求炉温。第36页，共58页，编辑于2022年，星期三 右图所示为镍铬右图所示为镍铬-镍硅（镍硅（K K）热电偶测温电路，热电极热电偶测温电路，热电极 A A、B B直接焊接在钢板上（直接焊接在钢板上（V V 型焊型焊接），接），A A 、B B 为补偿导为补偿导线，线，CuCu为铜导线，已知接线为铜导线，已知接线盒盒1 1 的温度的温度t t1 1=40=40 C C，冰瓶中，冰瓶中为冰水混合物，接线盒为冰水混合物，接线盒 3 3 的的温度温度t t3 3=20.0=20.0 C C。求：求：1 1）将热电极直接焊在钢板上是应用了热）将热电极直接焊在钢板上是应用了热电偶的什么定律？电偶的什么定律？2 2）冰瓶中为冰水混合物，）冰瓶中为冰水混合物，测得测得U Ux x=29.9mV=29.9mV时，估算被测点温度时，估算被测点温度t tx x ；3 3）如果冰瓶中的冰完全融化，温度上升，与接线如果冰瓶中的冰完全融化，温度上升，与接线盒盒1 1的温度相同，此时测得的温度相同，此时测得U Ux x=27.3mV=27.3mV，再求，再求t tx x。第37页，共58页，编辑于2022年，星期三见书见书23页页第38页，共58页，编辑于2022年，星期三4、补偿电桥法 补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电动势来补偿热电偶冷端温度变化而引起的热电动势变化。+-第39页，共58页，编辑于2022年，星期三5、仪表机械零点调整法 用热电偶测温时，若t0=tn0，要使指示值不偏低，可先将显示仪表指针调整到相当于热电偶冷端温度tn的位置上。应用于应用于：一些精度要求不高、冷端温度不经常变化的情况下。第40页，共58页，编辑于2022年，星期三 用螺丝刀用螺丝刀调节仪表面板调节仪表面板上的上的“机械零机械零点点”，使指针，使指针指到气温指到气温t0（图中为图中为40 40 C）的）的刻度上。刻度上。机械零点机械零点指针被预调到室温（指针被预调到室温（40 C）可补偿冷端损失可补偿冷端损失第41页，共58页，编辑于2022年，星期三第42页，共58页，编辑于2022年，星期三七、热电偶的实用测温电路七、热电偶的实用测温电路（1）热电偶的串联 1）热电偶的正向串联 若将多支热电偶的测量端置于同一测量点上构成热电堆（如辐射温度计），测量微小温度变化或辐射能时，可大大提高灵敏度。第43页，共58页，编辑于2022年，星期三(2)热电偶的反向串联 将两支同型号的热电偶反接起来，可以测量两点间的温差。注意：用这种差动电路测量温差时，两支热电偶的热电特性必须相同且成线性，否则会引起测量误差。第44页，共58页，编辑于2022年，星期三（3）热电偶的并联 三支同型号的热电偶的并联线路，此时输入到显示仪表的电动势值为：E=(E1+E2+E3)/3。第45页，共58页，编辑于2022年，星期三八、热电偶的校验八、热电偶的校验1、温度校验点 各种不同型号的热电偶必须在下表规定的校验点进行校验，且每个温度校验点应控制在10范围内。热电偶名称校验点温度/铂铑10-铂600，800，1000，1200镍铬-镍硅（镍铬-镍铝）400，600，800，1000镍铬-康铜300，400（或500），600工业用热电偶校验点温度工业用热电偶校验点温度第46页，共58页，编辑于2022年，星期三2、校验用仪器与设备 1-调试变压器调试变压器 2-管式电炉管式电炉 3-标准热电偶标准热电偶 4-被校热电偶被校热电偶 5-冰点槽冰点槽 6-切换开关切换开关 7-直流电位差计直流电位差计 8-镍块镍块 9-试管试管第47页，共58页，编辑于2022年，星期三3、校验方法 热电偶插入炉中的深度一般为300mm，热电偶的冷端置于冰点槽中以保持其为0。用自耦变压器来调节炉温，当达到预定校验点温度10以内，并且每分钟变化不超过0.2时，便可开始读数。在每一个校验点上的读数不应少于四次。第48页，共58页，编辑于2022年，星期三九、热电偶传感器的应用实例九、热电偶传感器的应用实例1工作原理 2工业现场利用热电偶测量炉温的误差分析 第49页，共58页，编辑于2022年，星期三1 1工作原理工作原理常用炉温测量采用的热电偶测量系统图 第50页，共58页，编辑于2022年，星期三2 2工业现场利用热电偶测量炉温的误差分析工业现场利用热电偶测量炉温的误差分析 主要原因有安装不正确、热导率和时间滞后等，由此产生的误差是热电偶在使用中的主要误差。第51页，共58页，编辑于2022年，星期三（1 1）安装不当引入的误差）安装不当引入的误差 热电偶安装的位置及插入深度不能反映炉膛的真实温度等。热电偶的保护套管与壁间的间隔未填绝热物质致使炉内热溢出或冷空气侵入。热电偶冷端太靠近炉体使温度超过100。热电偶的安装应尽可能避开强磁场和强电场。热电偶不能安装在被测介质很少流动的区域内。第52页，共58页，编辑于2022年，星期三应用实例分析 返本节目录返本节目录返本章目录返本章目录a 0b -1c -2d -15e -45第53页，共58页，编辑于2022年，星期三（2 2）绝缘变差而引入的误差）绝缘变差而引入的误差 热电偶绝缘强度降低了，保护管和拉线板污垢或盐渣过多致使热电偶极间与炉壁间绝缘不良。第54页，共58页，编辑于2022年，星期三（3 3）热惰性引入的误差）热惰性引入的误差 由于热电偶的热惰性使仪表的指示值落后于被测温度的变化，在进行快速测量时这种影响尤为突出。由于存在测量滞后，用热电偶检测出的温度波动的振幅较炉温波动的振幅小。第55页，共58页，编辑于2022年，星期三（4 4）热阻误差）热阻误差 高温时，如保护管上有一层煤灰，尘埃附在上面，则热阻增加，阻碍热的传导，这时温度示值比被测温度的真值低。因此，应保持热电偶保护管外部的清洁，以减小误差。第56页，共58页，编辑于2022年，星期三温度传感器的选用原则选用原则：较高温度选用原则：较高温度热电偶热电偶 中低温区中低温区热电阻热电阻一般以一般以500为分界，但不是绝对为分界，但不是绝对。原因：（1）在中低温区，热电偶输出的热电势很小，对测 量仪表放大器和抗干扰要求很高。（2）由于参比端温度不易得到完全补偿，在较低温 度区引起的相对误差就很突出。另外，还应注意工作环境，如环境温度、介质性质等 选择适当的保护套管，连接导线等。第57页，共58页，编辑于2022年，星期三练习练习1、热电偶温度传感器中输出的热电动势是由两种导体的 电动势和单一导体的 电动势组成。2、常用的温标有 、和 。3、在热电偶测温回路中经常使用补偿导线的目的是（）。A、提高灵敏度 B、廉价的热电偶 C、减小测量误差 D、区分颜色4、为了减小热电偶测温时的测量误差，需要进行的温度补 偿方法不包括（）A、补偿导线法 B、电桥补偿法 C、冷端恒温法 D、差动放大法5、热电偶在测量温度时（）A、需加正向电压 B、需加反向电压 C、加正向、反向电压都可以 D、不需要加电压接触接触温差温差摄氏温标摄氏温标华氏温标华氏温标热力学温标热力学温标BDD第58页，共58页，编辑于2022年，星期三