传感器热电式传感器PPT讲稿.ppt

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1、传感器热电式传感器第1页，共47页，编辑于2022年，星期四7.2热电偶传感器热电偶传感器l热电阻与热电偶的区别热电阻与热电偶的区别l第一，信号的性质不同，温度的变化，使热电阻第一，信号的性质不同，温度的变化，使热电阻产生电阻值变化；使热电耦产生感应电压的变化。产生电阻值变化；使热电耦产生感应电压的变化。l第二，检测的温度范围不一样，热电阻是低第二，检测的温度范围不一样，热电阻是低温检测（温检测（0-150度），热电耦是高温检测度），热电耦是高温检测（0-1000度）。度）。l第三，从材料上分，热电阻是一种金属材料，第三，从材料上分，热电阻是一种金属材料，热电耦是双金属材料。热电耦是双金属材料

2、。第2页，共47页，编辑于2022年，星期四7.2热电偶传感器热电偶传感器一、工作原理一、工作原理热电效应热电效应l两种不同材料两种不同材料A、B组成闭合回路，组成闭合回路，l两节点两节点AB1，AB2处于不同温度处于不同温度T和和T0，l回路中形成一回路中形成一热电势热电势和相应的热电流和相应的热电流i，该现象称为该现象称为热电效应热电效应7.2.1 热电偶工作原理及其工作定律热电偶工作原理及其工作定律热电势热电势由两部分组成：由两部分组成：温差电势温差电势和和接触电势接触电势。第3页，共47页，编辑于2022年，星期四1.接触电势lEAB(T)A、B两种金属在温度两种金属在温度T 时的时的

3、接触电势；接触电势；l接触电势的大小与接触电势的大小与温度温度T高低及高低及两种导体两种导体中的电子密度中的电子密度NA、NB间差异有关。间差异有关。TEAB(T)+BANANB1、接触电势、接触电势第4页，共47页，编辑于2022年，星期四2.温差电势温差电势lEA(T，T0)导体导体A两端温度为两端温度为T、T0时形成的温差电动势；时形成的温差电动势；lT，T0高低端的绝对温度；高低端的绝对温度；AEA(T,To)TT0第5页，共47页，编辑于2022年，星期四3.回路总电势回路总电势EAB(T，T0)=EAB(T)EAB(T0)EA(T,T0)EB(T,T0)l考虑温差电势较接触电势可忽

4、略不计考虑温差电势较接触电势可忽略不计,有：有：EAB(T，T0)=EAB(T)EAB(T0)第6页，共47页，编辑于2022年，星期四二、热电耦工作定律二、热电耦工作定律（一）（一）均质导体定律均质导体定律构成热电偶的基本定律构成热电偶的基本定律（二）（二）中间导体定律中间导体定律热电偶测量的基本定律热电偶测量的基本定律（三）（三）连接导体定律连接导体定律电路中应用补偿导线节约贵金属电路中应用补偿导线节约贵金属（四）（四）中间温度定律中间温度定律计算修正的依据计算修正的依据（五）（五）参考电极定律参考电极定律热电偶选配依据热电偶选配依据第7页，共47页，编辑于2022年，星期四(一一)均质导

5、体定律均质导体定律（1）由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体）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，回路中没有电流是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电即不产生电动势动势)；TT0AA热端热端冷端冷端TT0AB热端热端冷端冷端反之，如果有电流流动，此材料则一定是反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即非均质的，即热电偶必须采用两种不同热电偶必须采用两种不同材料作为电极。材料作为电极。第8页，共47页，编辑于2022年，星期四（2）当材料（）当材料（A，B）一定时，）一定时，热电势热电势仅仅与热电偶两端点温度有关：与热电偶两端点温度有关：EAB(T，T0)=

6、EAB(T)EAB(T0)l若使若使EAB(T0)=C时时，则：，则：EAB(T，T0)=EAB(T)Cf(T)l即即热电势为热端温度热电势为热端温度T的单值函数的单值函数，这就是，这就是热电偶测温原理热电偶测温原理TT0AB热端热端冷端冷端第9页，共47页，编辑于2022年，星期四（二）中间导体定律（二）中间导体定律1）一个由）一个由几种几种不同不同导体材料导体材料连接连接成的闭合回路，只要它们彼此连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的的接点温度相同接点温度相同，则此，则此回路回路各接点各接点产生的产生的热电势热电势的代数和的代数和为零为零。0E总总EAB(T)EBC(T)ECA(T)第10页

7、，共47页，编辑于2022年，星期四2）将）将A、B构成的热电偶的构成的热电偶的T0端断开，接入端断开，接入第三种导体第三种导体C，只要保持第三导体两端温度相，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体同，接入导体C后对回路总电动势无影响。后对回路总电动势无影响。EABC(T，T0)EAB(T)EBC(T0)ECA(T0)EAB(T)EAB(T0)lEABC(T，T0)EAB(T，T0)第11页，共47页，编辑于2022年，星期四图示：第三种材料接入热电偶回路的两种情况图示：第三种材料接入热电偶回路的两种情况l图图b，在材料，在材料A中加入第三导体中加入第三导体C，使，使C两端点温度相同为两端点温

8、度相同为T2，不影响原回路总电势。，不影响原回路总电势。lEAB(T1,T0)=EAB(T1)-EAB（T0）T0T123ABEABT2CT0(c)图图c，在，在AB右节点加入第三右节点加入第三导体导体C，不影响原回路总电，不影响原回路总电势。势。EAB（T1,T0）=EAB（T1）-EAB（T0）(b)T0T1ABCEABAT2T2(a)T0T1BAEAB第12页，共47页，编辑于2022年，星期四意义：意义：可以在热电偶回路中接入电位计可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等。证电位计与连接热电偶处的接点温度相等。第13页，共47页，编辑于2022

9、年，星期四(三）三）连接导体定律连接导体定律lEABBA（T，Tn，T0）EAB（T）EBB（Tn）EBA（T0）EAA（Tn）EAB（T）EBA（T0）EBB（Tn）EAA（Tn）是运用补偿导线进行测温的理论基础是运用补偿导线进行测温的理论基础在热电偶回路中，在热电偶回路中，接入接入连接导线连接导线A、B，各接点温度为：各接点温度为：T Tn T0则回路总电势为则回路总电势为第14页，共47页，编辑于2022年，星期四应用：补偿导线原理应用：补偿导线原理l引入与引入与A、B同样热电特性同样热电特性的的材料材料(即补偿导线即补偿导线)A、Bl则回路总电动势不变，仍为则回路总电动势不变，仍为lE

10、ABBA（T1，Tn，T0）EAB(T1)EAB(T0)=EAB(T1，T0)l即：接入即：接入AB后后不管接点温度不管接点温度Tn如何变化，都不如何变化，都不影响总热电势。影响总热电势。这便是引入这便是引入补偿导线原理补偿导线原理。BABT1Tn TnAET0例例第15页，共47页，编辑于2022年，星期四热电偶补偿导线知识热电偶补偿导线知识l由于热电偶由于热电偶的材料一般都比较的材料一般都比较贵重贵重（特别是（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的采用贵金属时），而测温点到仪表的距离距离都很远都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用通常采用补偿导线补偿导

11、线把热电偶的冷端（自由把热电偶的冷端（自由端）端）延伸延伸到温度比较稳定的控制室内，连到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。接到仪表端子上。第16页，共47页，编辑于2022年，星期四补偿导线类型补偿导线类型1延长型补偿导线延长型补偿导线又称延长型导线，其合金丝的名义又称延长型导线，其合金丝的名义化学成分化学成分及及热电热电动势标称值动势标称值与配用的热电偶与配用的热电偶相同相同。2.补偿型补偿导线补偿型补偿导线又称补偿型导线，其合金丝的名义又称补偿型导线，其合金丝的名义化学成化学成分与配用分与配用的热电偶的热电偶不同不同，但其热电动势值在，但其热电动势值在0100或或0200时与配用热

12、电偶的热时与配用热电偶的热电动势标称值相同电动势标称值相同。第17页，共47页，编辑于2022年，星期四（四）中间温度定律（四）中间温度定律l对于材料对于材料A、B，l若已知热电势若已知热电势EAB(T1,T0)、EAB(T0,T2)B T0 T1 AABBA T2 则：则：EAB（T1,T2）=EAB（T1,T0）+EAB（T0,T2）或：或：EAB（T1,T2）=EAB（T1,T0）EAB（T2,T0）第18页，共47页，编辑于2022年，星期四应用：热电偶分度表应用：热电偶分度表l在工程应用中，常用实验的方法得出温度在工程应用中，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。

13、与热电势的关系并做成表格，以供备查。表表l分度表中，参考端温度为分度表中，参考端温度为:0摄氏度摄氏度 l当冷端温度当冷端温度T0 0时，时，EAB(T，T0)是热电是热电偶热端偶热端T对于对于0和冷端和冷端T0对于对于0时的热电时的热电势之差势之差lBAB(T，T0)EAB(T，0）EAB(T0，0)第19页，共47页，编辑于2022年，星期四热电势单位：热电势单位：V第20页，共47页，编辑于2022年，星期四第21页，共47页，编辑于2022年，星期四例例1例例2第22页，共47页，编辑于2022年，星期四例：用分度号为例：用分度号为K K的镍铬的镍铬-镍硅热电镍硅热电偶测量温度，在没有

14、采取冷端温度偶测量温度，在没有采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为补偿的情况下，显示仪表指示值为500500，而这时冷端温度为，而这时冷端温度为6060。试问：实际温度应试问：实际温度应 T T 为多少？为多少？E（60，0）E（T，60）60 TE（T，0）0 E（500，0）2.436mv 23.076mvE（557，0）20.64mvE（T，0）E（T，60）E（60，0）T T 为为557 557 表表1表表2第23页，共47页，编辑于2022年，星期四如果热端温度不变，设法使冷端温度保持在如果热端温度不变，设法使冷端温度保持在2020，此时显示仪表的指示值应为多少？，此时显示仪

15、表的指示值应为多少？l显示仪表指示值应为显示仪表指示值应为538.4538.4。l显示误差为显示误差为18.6E（557，0）0E（0，20）557 E（557，20）20 E（538.4，0）0.798mV 23.076mv22.278mV E（T，0）E(557，20）=E（557，0）E（20，0）表表1表表2第24页，共47页，编辑于2022年，星期四(五）参考电极定律五）参考电极定律l如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷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，端和热端的温度又分别相等，T0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CBT

16、0TEAB(T,T0)AB它们相互间热电势的关系为：它们相互间热电势的关系为：EAB（T,T0）=EAC（T,T0）EBC（T,T0）第25页，共47页，编辑于2022年，星期四意义：方便热电偶的配选工作。意义：方便热电偶的配选工作。l由各种材料由各种材料A、B与标准电极与标准电极C（铂）组成（铂）组成的热电偶分度表，的热电偶分度表，l可求出任何二种材料电极可求出任何二种材料电极A、B组成的热电组成的热电偶产生的热电势。偶产生的热电势。l在工艺制作上，大大方便了热电偶的配选工作。在工艺制作上，大大方便了热电偶的配选工作。第26页，共47页，编辑于2022年，星期四例题3：l铜铜-铂构成热电偶在

17、（铂构成热电偶在（100，0）下热电动势为）下热电动势为0.75mV；康铜；康铜-铂构成热电偶在（铂构成热电偶在（100，0）下热电动势为）下热电动势为3.35mV；问铜；问铜-康铜构成热电偶时在（康铜构成热电偶时在（100，0）下热）下热电动势为多少？电动势为多少？0100铜铜铂铂E铜铜-铂铂(100,0)0.75mV铂铂康铜康铜E康铜康铜-铂铂(100,0)3.35mVE铜铜-康康铜铜(100,0)康铜康铜铜铜4.10mV第27页，共47页，编辑于2022年，星期四7.2.2热电偶传感器热电偶传感器一、热电偶材料一、热电偶材料1、热电偶材料应满足：、热电偶材料应满足：l物理性能稳定，热电特

18、性不随时间改变；物理性能稳定，热电特性不随时间改变；l化学性能稳定，以保证在不同介质中测化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；量时不被腐蚀；l热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；l便于制造；便于制造；l复现性好，便于成批生产。复现性好，便于成批生产。第28页，共47页，编辑于2022年，星期四2、标准热电偶：、标准热电偶：l标准热电偶标准热电偶：指国家：指国家标准规定了标准规定了其热电势与温度的关系、其热电势与温度的关系、允许误差允许误差、并有统一的、并有统一的标准分度表标准分度表的热电偶。的热电偶。l有相应的有相应的分度表、线性化集成电路分度

19、表、线性化集成电路。l有有与其与其配套的显示仪表配套的显示仪表可供选用。可供选用。l我国从我国从1991年开始采用（年开始采用（ITS-90）新标准，共有）新标准，共有八八种种标准化了的通用热电偶标准化了的通用热电偶B、R、S、K、N、E、J、T，写在前面的热电极为正极，写在后面的为，写在前面的热电极为正极，写在后面的为负极。负极。第29页，共47页，编辑于2022年，星期四八种国际通用热电偶特性表八种国际通用热电偶特性表名名称称分度号分度号测温范围测温范围/C100 C时的时的热电势热电势/mV/mV1000 C时的时的热电势热电势/mV/mV铂铑铂铑30-铂铑铂铑6 6B50 18200.

20、0334.834铂铑铂铑13-铂铂R-50 17680.64710.506铂铑铂铑10-铂铂S-50 17680.6469.587镍铬镍铬-镍硅镍硅K-270 13704.09641.276镍铬硅镍铬硅镍硅镍硅N-270 13002.74436.256镍铬镍铬铜镍铜镍（康铜）（康铜）E-270 8006.319铁铁铜镍铜镍（康铜）（康铜）J-210 7605.269铜铜铜镍铜镍（康铜）（康铜）T-270 4004.279第30页，共47页，编辑于2022年，星期四第31页，共47页，编辑于2022年，星期四热电偶产品型号热电偶产品型号第32页，共47页，编辑于2022年，星期四（1）普通热电偶

21、）普通热电偶（2）薄膜热电偶）薄膜热电偶二、热电偶的结构二、热电偶的结构第33页，共47页，编辑于2022年，星期四（3 3）铠装热电偶）铠装热电偶l将热电极、绝缘材料和金属保将热电极、绝缘材料和金属保护套管加工成一个坚实的整体，护套管加工成一个坚实的整体，经复合拉伸后形成的热电偶；经复合拉伸后形成的热电偶；l细：一般直径为细：一般直径为18mmmm；l长：长度一般为长：长度一般为120m；第34页，共47页，编辑于2022年，星期四（4）表面热电）表面热电偶温度计偶温度计1.凸型：凸型：固体平面温度测量固体平面温度测量2.弓型弓型：固体圆形、球形表面温度测量固体圆形、球形表面温度测量3.针形

22、：针形：导电固体表面温度测量导电固体表面温度测量第35页，共47页，编辑于2022年，星期四热电偶产品l热电偶、热电偶插件、热电偶、热电偶插件、温度变送器温度变送器第36页，共47页，编辑于2022年，星期四安装形式第37页，共47页，编辑于2022年，星期四热电偶温度计热电偶温度计第38页，共47页，编辑于2022年，星期四三、三、热电偶的温度补偿热电偶的温度补偿l原因原因l为保证输出热电势是被测温度为保证输出热电势是被测温度T的单值函数，必须使冷的单值函数，必须使冷端温度端温度T0保持恒定；保持恒定；l热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据。为依据

23、。方法：方法：0 恒温法恒温法 计算修正法计算修正法 补正系数法补正系数法冷端补偿器法冷端补偿器法 软件处理法软件处理法第39页，共47页，编辑于2022年，星期四1、0恒温法（恒温法（冰点槽法）冰点槽法）l把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里。这种办法仅限于把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里。这种办法仅限于科学实验中使用。科学实验中使用。mVABABTCC仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T0第40页，共47页，编辑于2022年，星期四2.计算修正法计算修正法l以普通室温为参考端实际温度以普通室温为参考端实际温度Tn，利用公式计算利用公式计算lEAB(T,0)=EAB(T,Tn)+

24、EAB(Tn,0)第41页，共47页，编辑于2022年，星期四3.补正系数法补正系数法l参考端实际温度参考端实际温度tn乘上系数乘上系数k，加到由，加到由EAB(t，tn)EAB(t1，0)查分度表所得的温度上查分度表所得的温度上t1，成为被测温度，成为被测温度t。用公式表达即。用公式表达即l t t1 k t nl例：已知参考端温度为例：已知参考端温度为30，镍铬考铜热电偶，镍铬考铜热电偶测得温度测得温度600。l查表查表75，对应于，对应于600的补正系数的补正系数k=0.78l则被测温度：则被测温度：t=6000.7830623.4（）第42页，共47页，编辑于2022年，星期四4、延伸

25、热电极法补偿导线法补偿导线法l用补偿导线将显示用补偿导线将显示/测量仪表位置延伸到远离测量仪表位置延伸到远离被测点的冷端。被测点的冷端。l注意：注意：型号、极性型号、极性随着热电偶的标准化，补偿导线也形成了随着热电偶的标准化，补偿导线也形成了标准系列标准系列。国际电工委员会国际电工委员会也制定了国际标准，适合于标准化热电偶使用第43页，共47页，编辑于2022年，星期四5 5、补偿电桥法、补偿电桥法-冷端温度自动补偿法冷端温度自动补偿法l桥臂电阻桥臂电阻：R4较较R1，R2，R3的温度的温度系数大，系数大，l冷端温升时冷端温升时：R4增大，使增大，使Uab增大增大l补偿热电耦电势补偿热电耦电势Ex的减小的减小l保持回路总输出保持回路总输出电势电势UAB不变不变第44页，共47页，编辑于2022年，星期四l热电偶测温电路热电偶测温电路第45页，共47页，编辑于2022年，星期四l作业：7-4，78第46页，共47页，编辑于2022年，星期四lThe end第47页，共47页，编辑于2022年，星期四