《热电偶传感器》PPT课件.ppt
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1、学习目标与任务 1.了解温度测量的基本概念和方法;2.了解热电偶的工作原理与结构类型;3.掌握热电偶的型号构成及选用方法;4.学会用其进行温度测量;5.了解常见热电偶测温系统的组成与功能;第五章第五章 热电偶传感器热电偶传感器第一节第一节 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 一、一、温度测量的基本概念温度测量的基本概念 温度标志着物质内温度标志着物质内部大量分子无规则运动部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高,的剧烈程度。温度越高,表示物体内部分子热运表示物体内部分子热运动越剧烈。动越剧烈。模拟图:模拟图:在一个密闭的空间里,气体分在一个密闭的空间里,气体分子在高温时的运动速度比低温时快!
2、子在高温时的运动速度比低温时快!低温低温高温高温二、温标二、温标 1 1、温度的数值表示方法称为温标温度的数值表示方法称为温标。它规定了温。它规定了温度的读数的起点(即零点)以及温度的单位。各类温度的读数的起点(即零点)以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。度计的刻度均由温标确定。2 2、国际上规定的温标有:、国际上规定的温标有:摄氏温标、华氏温标、摄氏温标、华氏温标、热力学温标热力学温标等。等。课本 P213定义第一节第一节 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 几种温标的对比几种温标的对比 正常体温为正常体温为37 C C,相,相当于华氏温当于华氏温度多少度?度多少度?二、温标二、
3、温标 第一节第一节 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 热力学温标(热力学温标(K K)热力学温标是建立热力学温标是建立在热力学第二定律基础在热力学第二定律基础上的最科学的温标,是上的最科学的温标,是由开尔文(由开尔文(Kelvin)根据)根据热力学定律提出来的,热力学定律提出来的,因此又称开氏温标。它因此又称开氏温标。它的符号是的符号是T,单位是开尔,单位是开尔文(文(K)。威廉威廉汤姆逊汤姆逊开尔文勋爵开尔文勋爵像像二、温标二、温标 第一节第一节 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 1990国际温标国际温标(ITS-90)从从1990年年1月月1日开始在全世界范围内采用日开始在全世界范
4、围内采用1990年国际温标,简称年国际温标,简称ITS-90。它定义了一系列。它定义了一系列温度的固定点,测量和重现这些固定点的标准仪温度的固定点,测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公式,例如水的三相点为(器以及计算公式,例如水的三相点为(C)等。)等。二、温标二、温标 第一节第一节 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 按照按照用途用途可分为基准温度计和工业温度计;可分为基准温度计和工业温度计;按照测量方法又可分为按照测量方法又可分为接触式接触式和和非接触式非接触式;按工作原理又可分为按工作原理又可分为膨胀式膨胀式、电阻式电阻式、热电式热电式、辐射式辐射式等等;等等;按输出方式分,有自发
5、电型、非电测型等。按输出方式分,有自发电型、非电测型等。三、温度测量及传感器分类三、温度测量及传感器分类第一节第一节 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 介绍几种温度测量方法介绍几种温度测量方法 示温涂料(变色涂料)示温涂料(变色涂料)装满热水后图案变得清晰可辨装满热水后图案变得清晰可辨三、温度测量及传感器分类三、温度测量及传感器分类第一节第一节 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 变色涂料在电脑内部温度中的示温作用变色涂料在电脑内部温度中的示温作用CPU散热风扇散热风扇低温时显示蓝色低温时显示蓝色温度升高后变为红色温度升高后变为红色三、温度测量及传感器分类三、温度测量及传感器分类第一节第
6、一节 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 不需要电源,耐用;但感温部不需要电源,耐用;但感温部件体积较大。件体积较大。气体的体积与热气体的体积与热力学温度成正比力学温度成正比介绍几种温度测量方法介绍几种温度测量方法 体积热膨胀式体积热膨胀式 三、温度测量及传感器分类三、温度测量及传感器分类第一节第一节 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 介绍几种温度测量方法介绍几种温度测量方法 红外温度计红外温度计三、温度测量及传感器分类三、温度测量及传感器分类第一节第一节 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 热电偶测温的主要优点热电偶测温的主要优点:1、它它属属于于自自发发电电型型传传感感器器:测测量
7、量时时可可以以不不需需外外加加电电源源,可直接驱动动圈式仪表;可直接驱动动圈式仪表;2、测测温温范范围围广广:下下限限可可达达-270 C C,上上限限可可达达18001800 C C以上;以上;3 3、各温区中的热电势均符合、各温区中的热电势均符合国际计量委员会国际计量委员会的标准。的标准。三、温度测量及传感器分类三、温度测量及传感器分类第一节第一节 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 热电极热电极A A右端称为:右端称为:自由端自由端(参考(参考端、端、冷冷端端)第二节第二节 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 左端称为:左端称为:测量端测量端(工作(工作端、端、热热端端)热电极热电极B
8、B热电势热电势AB先看一个实验先看一个实验热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示结论:结论:当两个结点温度不相同时,回路中将产生电动势当两个结点温度不相同时,回路中将产生电动势。一、热电效应一、热电效应 1821年,德国物理学家年,德国物理学家赛贝克赛贝克用两种不同金属组成用两种不同金属组成闭闭合回路合回路,并用酒精灯加热其中一个接触点(称为结点),发,并用酒精灯加热其中一个接触点(称为结点),发现放在回路中的现放在回路中的指南针发生偏转指南针发生偏转(说明什么?)(说明什么?),如果用两如果用两盏酒精灯对两个结点盏酒精灯对两个结点同时加热,指南针的偏转角反而减小同时加热,指南针的偏转角反而减小
9、(又说明什么?)(又说明什么?)。显然,指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电显然,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。流在回路中流动,电流的强弱与两个结点的温差有关。从实验到理论:热电效应从实验到理论:热电效应第二节第二节 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 一、热电效应一、热电效应 自由自由电子电子ABeAB(T T)T T结点产生热电势的结点产生热电势的微观微观解释及解释及图形符号图形符号 两种不同的金属互相接触时,由于不同金属内自由电子的密两种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,在两金属度不同,在两金属A和和B的接
10、触点处会发生自由电子的的接触点处会发生自由电子的扩散现象扩散现象。自由电子将从密度大的金属自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属扩散到密度小的金属B,使,使A失去电失去电子带正电子带正电,B得到电子带负电得到电子带负电,从而产生,从而产生热电势热电势。从实验到理论:热电效应从实验到理论:热电效应第二节第二节 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 一、热电效应一、热电效应 热电效应的热电效应的定义:定义:将两种不同材料的导体将两种不同材料的导体A和和B串接成一个闭合回路,当两个串接成一个闭合回路,当两个接点温度不同时,在回路中就会产生热电势,形成电流,此现接点温度不同时,在回路中就会产生热电势
11、,形成电流,此现象称为热电效应。象称为热电效应。第二节第二节 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 一、热电效应一、热电效应 ABTT0kk玻耳兹曼常数,玻耳兹曼常数,ee电子电荷量,电子电荷量,TT接触处的温度,接触处的温度,N NA A,N NB B分别为导体分别为导体A A和和B B的自由电子密度。的自由电子密度。接触电动势接触电动势不同材料之间不同材料之间:节点处电子的扩散所致节点处电子的扩散所致第二节第二节 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 二、热电势二、热电势(接触电动势和温差电动势接触电动势和温差电动势)温差电动势温差电动势A A,B B汤姆逊温度系数。汤姆逊温度系数。同种材料:同种
12、材料:两端温度不同两端温度不同电子运动速度不同电子运动速度不同回路中总电动势:回路中总电动势:第二节第二节 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 二、热电势二、热电势(接触电动势和温差电动势接触电动势和温差电动势)ABTT02)2)中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体,只要其两端的温在热电偶回路中接入第三种材料的导体,只要其两端的温度相等,该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。度相等,该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。TT0V1)1)均质导体定律均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路,不论导体的横截面积、由一种均质导体组成的闭合回路,不论导体的横截面
13、积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。长度以及温度分布如何均不产生热电动势。第二节第二节 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 三、热电偶测温基本定律三、热电偶测温基本定律ABTT0=ACTT0CBTT03)3)参考电极定律参考电极定律 两种导体两种导体A,BA,B分别与参考电极分别与参考电极C C组成热电偶,如果他们所产组成热电偶,如果他们所产生的热电动势为已知,生的热电动势为已知,A A和和B B两极配对后的热电动势可用下式求两极配对后的热电动势可用下式求得:得:4)4)中间温度定律中间温度定律 热电偶在两接点温度热电偶在两接点温度t t、t t0 0时的热电动势等于该热电偶在接点时的热电
14、动势等于该热电偶在接点温度为温度为t t、t tn n和和t tn n、t t0 0时的相应热电动势的代数和。中间温度定律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:可以用下式表示:中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。第二节第二节 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 三、热电偶测温基本定律三、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。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在实际应用中,用作热电极的材料
15、应具备如下几方面的条件:条件:(1)(1)温度测量范围广;温度测量范围广;(2)(2)性能稳定;性能稳定;(3)(3)物理化学性能好;物理化学性能好;第三节第三节 热电偶的材料、结构及种类热电偶的材料、结构及种类1、热电偶的材料、热电偶的材料1)普通工业装配式热电偶的结构普通工业装配式热电偶的结构 热电偶通常由热电极、绝缘管、热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等几个主要部分组保护套管和接线盒等几个主要部分组成。成。2、热电偶的结构、热电偶的结构第三节第三节 热电偶的材料、结构及种类热电偶的材料、结构及种类2)铠装热电偶的结构铠装热电偶的结构2、热电偶的结构、热电偶的结构 铠装热电偶的
16、制造工艺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:把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一在金属保护管中、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。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: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。的抗高温氧化、抗低温水
17、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。题,且具有抗震、可弯曲、超长等优点。第三节第三节 热电偶的材料、结构及种类热电偶的材料、结构及种类铠装热电偶结构铠装型热电偶外形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 长达上百米长达上百米薄壁金属薄壁金属 保护套管保护套管(铠体)(铠体)BA绝缘绝缘 材料材料铠装型热电偶铠装型热电偶横截面横截面2、热电偶的结构、热电偶的结构3)隔爆型热电偶隔爆型热电偶 结构特点结构特点:隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的
18、特:隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构,它的接线盒是经过殊结构,它的接线盒是经过压铸压铸而成的,有一定的厚度、隔爆空而成的,有一定的厚度、隔爆空间,间,机构强度机构强度较高;采用螺纹隔爆接合面,并采用密封圈进行密较高;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。传爆,能达到预期的防爆、隔爆效果。使用场合:使用场合:工业用的隔爆型热电偶多用于工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业化学工业自控系自控系统中(由于在化工生产厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等
19、化统中(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)。境气体爆炸)。第三节第三节 热电偶的材料、结构及种类热电偶的材料、结构及种类隔爆隔爆型热电偶外形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其他其他热电偶外形热电偶外形小形小形K K型热电偶型热电偶1 1)标准型热电偶)标准型热电偶2 2)非标准型热电偶)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。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:铂铑主要有:
20、铂铑30-铂铑铂铑6热电偶,热电偶,分度号分度号“B”;铂铑铂铑10-铂热电偶,分度号铂热电偶,分度号“S”;镍铬镍铬-镍硅热电偶镍硅热电偶,分度号,分度号“K”;镍铬镍铬-康铜热电偶康铜热电偶,分度号,分度号“E”;铁铁-康铜热电偶,分度号康铜热电偶,分度号“J”;铜铜-康铜热电偶,分度号康铜热电偶,分度号“T”。第三节第三节 热电偶的材料、结构及种类热电偶的材料、结构及种类3、热电偶的种类、热电偶的种类K K热电偶的热电偶的分度表分度表 比较查出的比较查出的3个热电势,可个热电势,可以看出热电势是以看出热电势是否否线性?线性?设设冷端为冷端为0 0 C C,根据以下电路中的毫伏表的根据以下
21、电路中的毫伏表的示值示值及及K热电偶热电偶的的分度表,分度表,查出查出热端的温度热端的温度tx 。如何由热电偶的热电势查热端温度值如何由热电偶的热电势查热端温度值4.型型号号表表示示第三节第三节 热电偶的材料、结构及种类热电偶的材料、结构及种类5、冷端补偿、冷端补偿 由于热电偶产生的电势与两端温度有关,只有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。被测温度。由于很难保证冷端温度在恒定由于很难保证冷端温度在恒定00故常采取一些故常采取一些冷端补偿措施,主要有:冷端补偿措施,主要有:冷端恒温法冷端恒温法
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