第九章热电式传感器电偶PPT讲稿.ppt
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1、第九章热电式传感器电偶第1页,共45页,编辑于2022年,星期二温度传感器的种类及特点温度传感器的种类及特点接触式温度传感器非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线,从而测量物体的温度,可进行遥测。其制造成本较外线,从而测量物体的温度,可进行遥测。其制造成本较高,测量精度却较低。优点是:不从被测物体上吸收热量;高,测量精度却较低。优点是:不从被测物体上吸收热量;不会干扰被测对象的温度场;连续测量不会产生消耗;反不会干扰被测对象的温度场;连续测量不会产生消耗;反应快等。应快等。接触式温度传感器的特点:传感器直接与被测物体接触进接触式
2、温度传感器的特点:传感器直接与被测物体接触进行温度测量,由于被测物体的热量传递给传感器,降低了行温度测量,由于被测物体的热量传递给传感器,降低了被测物体温度,特别是被测物体热容量较小时,测量精度被测物体温度,特别是被测物体热容量较小时,测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。件是被测物体的热容量要足够大。非接触式温度传感器第2页,共45页,编辑于2022年,星期二9.1 热电偶热电偶 温差热电偶(简称热电偶)是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单,测量范围宽、准确度高、热惯性小
3、,输出信号为电信号,便于远传或信号转换等优点外,还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。9.1.1 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 一一.热电效应热电效应第3页,共45页,编辑于2022年,星期二两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路,若导体A和B的连接处温度不同(设TT0),则在此闭合回路中就有电流产生,也就是说回路中有电动势存在,这种现象叫做热热电电效效应应。这种现象早在1823年首先由赛贝克(Seebeck)发现,所以又称赛贝克效应。热电偶原理图TT0AB回路中所产生的电动势,叫热电势。热电势由两部分组成,即接触电势(珀尔
4、帖效应)和温差电势(汤姆孙效应)。热端冷端第4页,共45页,编辑于2022年,星期二1.珀尔帖效应(接触电势)接触电势原理图+ABTeAB(T)-eAB(T)导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势;e单位电荷,e=1.610-19C;k波尔兹曼常数,k=1.3810-23J/K;NA、NB 导体A、B在温度为T 时的电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。第5页,共45页,编辑于2022年,星期二AeA(T,To)ToTeA(T,T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势;T,T0高低端的绝对温度;A汤姆逊系数,表示导体
5、A两端的温度差为1时所产生的温差电动势,例如在0时,铜的=2V/。2.汤姆孙效应(温差电势)温差电势原理图第6页,共45页,编辑于2022年,星期二由导体材料A、B组成的闭合回路,其接点温度分别为T、T0,如果TT0,则必存在着两个接触电势和两个温差电势,回路总电势:T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路总电势NAT、NAT0导体A在结点温度为T和T0时的电子密度;NBT、NBT0导体B在结点温度为T和T0时的电子密度;A、B导体A和B的汤姆逊系数。第7页,共45页,编辑于2022年,星期二根据电磁场理论得EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=
6、f(T)-C=g(T)由于NA、NB是温度的单值函数在工程应用中,常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格,以供备查。由公式可得:EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T)-EAB(0)-EAB(T0)-EAB(0)=EAB(T,0)-EAB(T0,0)热电偶的热电势,等于两端温度分别为热电偶的热电势,等于两端温度分别为T 和和零度以及零度以及T0和零度的热电势之差。和零度的热电势之差。第8页,共45页,编辑于2022年,星期二导导体体材材料料确确定定后后,热热电电势势的的大大小小只只与与热热电电偶偶两两端端的的温温度度有有关关。如如果果使使E EABAB(T T0
7、0)=)=常常数数,则则回回路路热热电电势势E EABAB(T T,T T0 0)就就只只与与温温度度T T有有关关,而而且且是是T T 的的单单值值函函数数,这这就就是是利利用用热热电电偶偶测测温的原理。温的原理。只有当热电偶两端温度不同只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。才能有热电势产生。结论(4点):热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关;与热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关;与热电偶的长度、粗细无关。热电偶的长度、粗细无关。只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶;相同材料不会产生热电势,因为当
8、A、B两种导体是同一种材料时,ln(NA/NB)=0,也即EAB(T,T0)=0。第9页,共45页,编辑于2022年,星期二对于有几种不同材料串联组成的闭合回路,接点温度分别为T1、T2、Tn,冷端温度为零度的热电势,其热电势为E=EAB(T1)+EBC(T2)+ENA(Tn)由一种均质导体组成的闭合回路,不论其导体是否存在温度梯度,回路中没有电流(即不产生电动势);反之,如果有电流流动,此材料则一定是非均质的,即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律1.均质导体定律第10页,共45页,编辑于2022年,星期二E总=EAB(T)+EBC(T)+ECA(T)
9、=0三种不同导体组成的热电偶回路TABCTT2.中间导体定律一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路,只要它们彼此连接的接点温度相同,则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。如图,由A、B、C三种材料组成的闭合回路,则第11页,共45页,编辑于2022年,星期二两点结论:l)将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路,如图,则图a中的A、C接点2与C、A的接点3,均处于相同温度T0之中,此回路的总电势不变,即同理,图b中C、A接点2与C、B的接点3,同处于温度T0之中,此回路的电势也为:T2T1AaBC23EABaAT023ABEABT1T2 CT0EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB(
10、T2)(a)(b)T0T0EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB(T2)第三种材料接入热电偶回路图第12页,共45页,编辑于2022年,星期二ET0T0TET0T1T1T电位计接入热电偶回路根据上述原理,可以在热电偶回路中接入电位计E,只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等,就不会影响回路中原来的热电势,接入的方式见下图所示。第13页,共45页,编辑于2022年,星期二EAB(T,T0)=EAC(T,T0)+ECB(T,T0)T0TEBA(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB2)如果任意两种导体材料的热电势是已知的,它们的冷端和热端的温度又分别相等,
11、如图所示,它们相互间热电势的关系为:第14页,共45页,编辑于2022年,星期二3.中间温度定律 如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1,T2);当接点温度为T2、T3时,其热电势为EAB(T2,T3);当接点温度为T1、T3时,其热电势为EAB(T1,T3),则BBA T2 T1 T3 AABEAB(T1,T3)=EAB(T1,T2)+EAB(T2,T3)第15页,共45页,编辑于2022年,星期二EAB(T1,T3)=EAB(T1,0)+EAB(0,T3)=EAB(T1,0)-EAB(T3,0)=EAB(T1)-EAB(T3
12、)ABT1T2T2ABT0T0热电偶补偿导线接线图E对于冷端温度不是零度时,热电偶如何分度表的问题提供了依据。如当T2=0时,则:只要T1、T0不变,接入AB后不管接点温度T2如何变化,都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。EAB=EAB(T1)EAB(T0)说明:当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A、B(如图)即引入所谓补偿导线时,当EAA(T2)=EBB(T2),则回路总电动势为第16页,共45页,编辑于2022年,星期二方法u冰点槽法u计算修正法u补正系数法u零点迁移法u冷端补偿器法u软件处理法三、热电偶冷端温度及补偿三、热电偶冷端温度及补偿原因l热电偶热
13、电势的大小是热端温度和冷端的函数差,为保证输出热电势是被测温度的单值函数,必须使冷端温度保持恒定;l热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据,否则会产生误差。第17页,共45页,编辑于2022年,星期二1.冰点槽法把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里,使T0=0。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路,必须把连接点分别置于两个玻璃试管里,浸入同一冰点槽,使相互绝缘。mVABABTCC仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T0第18页,共45页,编辑于2022年,星期二2.计算修正法用普通室温计算出参比端实际温度TH,利用公式计算例用铜-康铜热电偶测某一温度T,
14、参比端在室温环境TH中,测得热电动势EAB(T,TH)=1.999mV,又用室温计测出TH=21,查 此 种 热 电 偶 的 分 度 表 可 知,EAB(21,0)=0.832mV,故得EAB(T,0)=EAB(T,21)+EAB(21,T0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表,与2.831mV对应的热端温度T=68。注意:既不能只按1.999mV查表,认为T=49,也不能把49加上21,认为T=70。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)第19页,共45页,编辑于2022年,星期二3.补正系数法把参比端实际温度TH乘上系数k,加到由EAB(T,TH
15、)查分度表所得的温度上,成为被测温度T。用公式表达即 式中:T为未知的被测温度;T为参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度;TH室温;k为补正系数,其它参数见下表。例用铂铑10铂热电偶测温,已知冷端温度TH=35,这时热电动势为11.348mV查S型热电偶的分度表,得出与此相应的温度T=1150。再从下表中查出,对应于1150的补正系数k=0.53。于是,被测温度T=1150+0.5335=1168.3()用这种办法稍稍简单一些,比计算修正法误差可能大一点,但误差不大于0.14。T T k T H第20页,共45页,编辑于2022年,星期二温度T/补正系数k铂铑10-铂(S)镍铬-镍
16、硅(K)1000.821.002000.721.003000.690.984000.660.985000.631.006000.620.967000.601.008000.591.009000.561.0010000.551.0711000.531.1112000.5313000.5214000.5215000.5316000.53热电偶补正系数第21页,共45页,编辑于2022年,星期二例用动圈仪表配合热电偶测温时,如果把仪表的机械零点调到室温TH的刻度上,在热电动势为零时,指针指示的温度值并不是0而是TH。而热电偶的冷端温度已是TH,则只有当热端温度T=TH时,才能使EAB(T,TH)=0
17、,这样,指示值就和热端的实际温度一致了。这种办法非常简便,而且一劳永逸,只要冷端温度总保持在TH不变,指示值就永远正确。4.零点迁移法应用领域:如果冷端不是0,但十分稳定(如恒温车间或有空调的场所)。实质:在测量结果中人为地加一个恒定值,因为冷端温度稳定不变,电动势EAB(TH,0)是常数,利用指示仪表上调整零点的办法,加大某个适当的值而实现补偿。第22页,共45页,编辑于2022年,星期二5.冷端补偿器法利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。设计时,在0下使电桥平衡(R1=R
18、2=R3=RCu),此时Uab=0,电桥对仪表读数无影响。冷端补偿器的作用注意:桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近,使处于同一温度之下。mVEAB(T,T0)T0T0TAB+-abUUabRCuR1R2R3RT0Ua Uab EAB(T,T0)供电4V直流,在040或-2020的范围起补偿作用。注意,不同材质的热电偶所配的冷端补偿器,其中的限流电阻R不一样,互换时必须重新调整。第23页,共45页,编辑于2022年,星期二6.软件处理法对于计算机系统,不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0的情况,只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。对于T0经常波动的情况,可利用热敏电阻或
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