传感器与检测技术第五章热电传感器精选PPT.ppt
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1、传感器与检测技术传感器与检测技术第五章热电传感器第五章热电传感器第1页,此课件共38页哦第一节第一节 热电偶的基本原理热电偶的基本原理一、热电效应一、热电效应1.1.1.1.塞贝克效应(塞贝克效应(塞贝克效应(塞贝克效应(1821/1821/1821/1821/德国)德国)德国)德国)两种不同金属导线组成一闭合回路,若两接头处维持一温差,两种不同金属导线组成一闭合回路,若两接头处维持一温差,两种不同金属导线组成一闭合回路,若两接头处维持一温差,两种不同金属导线组成一闭合回路,若两接头处维持一温差,回路中就有电流和电动势产生。回路中就有电流和电动势产生。回路中就有电流和电动势产生。回路中就有电流
2、和电动势产生。第2页,此课件共38页哦2.2.珀尔帖效应珀尔帖效应 将同温度的两种不同的金属互相接触,由于不同金属内自由将同温度的两种不同的金属互相接触,由于不同金属内自由将同温度的两种不同的金属互相接触,由于不同金属内自由将同温度的两种不同的金属互相接触,由于不同金属内自由电子的密度不同,在它们的接点处会产生接触电动势。电子的密度不同,在它们的接点处会产生接触电动势。电子的密度不同,在它们的接点处会产生接触电动势。电子的密度不同,在它们的接点处会产生接触电动势。.冷端接触电动势冷端接触电动势冷端接触电动势冷端接触电动势.热端接触电动势热端接触电动势热端接触电动势热端接触电动势第3页,此课件共
3、38页哦3.3.汤姆逊效应汤姆逊效应同一种导体因其两端的温度不同会产生温差电势。同一种导体因其两端的温度不同会产生温差电势。同一种导体因其两端的温度不同会产生温差电势。同一种导体因其两端的温度不同会产生温差电势。.导体导体导体导体A A A A温差电动势温差电动势温差电动势温差电动势.导体导体导体导体B B B B温差电动势温差电动势温差电动势温差电动势4.4.回路总电势回路总电势第4页,此课件共38页哦二、测温原理二、测温原理 当热电偶导体当热电偶导体当热电偶导体当热电偶导体A A和和和和B B材料一定时,回路总电动势成为热端和材料一定时,回路总电动势成为热端和材料一定时,回路总电动势成为热
4、端和材料一定时,回路总电动势成为热端和冷端的温度的函数。在实际测温中,把冷端置于某一恒温下,此冷端的温度的函数。在实际测温中,把冷端置于某一恒温下,此冷端的温度的函数。在实际测温中,把冷端置于某一恒温下,此冷端的温度的函数。在实际测温中,把冷端置于某一恒温下,此时冷端接触电势为一常数,回路总电势仅决定于热端接触电势,时冷端接触电势为一常数,回路总电势仅决定于热端接触电势,时冷端接触电势为一常数,回路总电势仅决定于热端接触电势,时冷端接触电势为一常数,回路总电势仅决定于热端接触电势,即只与热端温度有关,两者之间是单值的函数关系。即只与热端温度有关,两者之间是单值的函数关系。即只与热端温度有关,两
5、者之间是单值的函数关系。即只与热端温度有关,两者之间是单值的函数关系。则:则:当:当:第5页,此课件共38页哦二、二、热电偶的工作特性热电偶的工作特性1.基本特性基本特性 当组成热电偶的两导体性能相同时,则无论接触点处当组成热电偶的两导体性能相同时,则无论接触点处当组成热电偶的两导体性能相同时,则无论接触点处当组成热电偶的两导体性能相同时,则无论接触点处温度如何,热电偶回路总电势为零。温度如何,热电偶回路总电势为零。温度如何,热电偶回路总电势为零。温度如何,热电偶回路总电势为零。第6页,此课件共38页哦当热电偶两接触点处的温度相等时,尽管组成热电偶的两当热电偶两接触点处的温度相等时,尽管组成热
6、电偶的两当热电偶两接触点处的温度相等时,尽管组成热电偶的两当热电偶两接触点处的温度相等时,尽管组成热电偶的两导体材料不同,热电偶回路总电势为零。导体材料不同,热电偶回路总电势为零。导体材料不同,热电偶回路总电势为零。导体材料不同,热电偶回路总电势为零。由热电效应原理分析可知,无论是哪一种类型的由热电效应原理分析可知,无论是哪一种类型的热电偶,产生回路电势的必要充分条件是:热电偶,产生回路电势的必要充分条件是:第7页,此课件共38页哦2.基本定律基本定律中间导体定律中间导体定律中间导体定律中间导体定律 当插入第三种金属时,只要两端温度相同,就不会使热电偶当插入第三种金属时,只要两端温度相同,就不
7、会使热电偶当插入第三种金属时,只要两端温度相同,就不会使热电偶当插入第三种金属时,只要两端温度相同,就不会使热电偶的电动势发生变化。的电动势发生变化。的电动势发生变化。的电动势发生变化。图54 中间导体定律第8页,此课件共38页哦标准电极定律标准电极定律 金属金属A A和和B B之间的电动势等于金属之间的电动势等于金属A A、C C和和C C、B B组成热电偶的热电动势之和。(组成热电偶的热电动势之和。(C C为标准电极)为标准电极)导体导体C被称为标准电极,通常用纯铂(被称为标准电极,通常用纯铂(Pt)作标准电极作标准电极第9页,此课件共38页哦 中间温度定律中间温度定律 热电偶在接触点温度
8、为热电偶在接触点温度为T,TT,T0 0时的回路电时的回路电势,等于该热电偶在接触点温度为势,等于该热电偶在接触点温度为T,TT,Tn n和和T Tn n,T T0 0时回路电势之代数和。时回路电势之代数和。EAB(T,T0)EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)若若T00,则有则有EAB(T,0)EAB(T,Tn)+EAB(Tn,0)测量环境温度测量环境温度 T0TTn 查分度表查分度表 第10页,此课件共38页哦三、三、热电偶冷端温度补偿热电偶冷端温度补偿 为什么要进行冷端温度补偿?为什么要进行冷端温度补偿?1.在在测测温温时时,冷冷端端温温度度T0随随着着环环境境温温度度变变化化,因而
9、产生测量误差,故应采取补偿措施。因而产生测量误差,故应采取补偿措施。2.分度表是在分度表是在T00时测得的,使用时,只有时测得的,使用时,只有满足满足T00的条件才能使用分度表。的条件才能使用分度表。第11页,此课件共38页哦常用的修正或补偿方法有如下几种:常用的修正或补偿方法有如下几种:一、冰浴法一、冰浴法 二、冷端温度修正法二、冷端温度修正法 EABAB(T T,0 0)E EABAB(T,T Tn)+EABAB(T Tn,0 0)将将热热电电偶偶冷冷端端置置于于冰冰水水中中,使使冷冷端端保保持持恒定的恒定的0,它可以使冷端温度误差完全消失。,它可以使冷端温度误差完全消失。第12页,此课件
10、共38页哦三、冷端补偿器法(电桥补偿法)三、冷端补偿器法(电桥补偿法)利用不平衡电桥产生利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引因冷端温度变化而引起的热电势起的热电势。图5 电桥补偿示意图令令令令UababE EABAB(T T0 0)得得得得U U0 0EAB(T)EABAB(20)U U0 0E EABAB(T)EAB(T T0 0)+EABAB(T T0)+U Uabab 第13页,此课件共38页哦四、延伸导线法四、延伸导线法 五、采用不需要冷端补偿的热电偶五、采用不需要冷端补偿的热电偶 冷端温度在冷端温度在冷端温度在冷端温度在300300以下的镍钴以下的
11、镍钴以下的镍钴以下的镍钴镍铝热电偶,镍铝热电偶,50以下的以下的以下的以下的镍铁镍铁镍铁镍铁镍铜热电偶及铂铑镍铜热电偶及铂铑镍铜热电偶及铂铑镍铜热电偶及铂铑3030铂铑铂铑铂铑铂铑6热电偶热电偶热电偶热电偶 第14页,此课件共38页哦六、补正系数修正法六、补正系数修正法 工程上经常采用补正系数实现补偿。工程上经常采用补正系数实现补偿。设设工工作作端端温温度度为为T1,冷冷端端温温度度为为T0,现现场场实实际际温温度度为为T,则则 TT1+kT0 (513)式中式中k为热电偶温度修正系数,其值决定于热电偶为热电偶温度修正系数,其值决定于热电偶种类和被测的温度范围种类和被测的温度范围。七七.用集成
12、温度传感器用集成温度传感器AD590作为冷端补偿元件作为冷端补偿元件 第15页,此课件共38页哦八八.冷端温度的智能补偿冷端温度的智能补偿 利用单片机或计算机,可以实现温度监测、控制、误利用单片机或计算机,可以实现温度监测、控制、误差修正与冷端温度补偿一体化和智能化。差修正与冷端温度补偿一体化和智能化。图图5-7 5-7 温度检测系统温度检测系统温度检测系统温度检测系统 第16页,此课件共38页哦第四节第四节 热电偶测温电路热电偶测温电路一、测量某点温度一、测量某点温度图图58 热电偶测一点温度热电偶测一点温度第17页,此课件共38页哦二、测量两点温度差二、测量两点温度差图图图图5 58 8
13、热电偶测两点温差热电偶测两点温差热电偶测两点温差热电偶测两点温差第18页,此课件共38页哦三、测多点温度的平均值三、测多点温度的平均值与热电偶相配套的测量与显示仪表:与热电偶相配套的测量与显示仪表:与热电偶相配套的测量与显示仪表:与热电偶相配套的测量与显示仪表:毫伏计、电子电位差计、数字测温指示仪毫伏计、电子电位差计、数字测温指示仪第19页,此课件共38页哦第二节第二节 电阻温度传感器电阻温度传感器 热电阻或热敏电阻都是利用材料的电阻对温度敏感的热电阻或热敏电阻都是利用材料的电阻对温度敏感的特性制成的电阻温度传感器,常用于特性制成的电阻温度传感器,常用于-200500范范围内的温度测量。在低温
14、区域,热电偶产生的热电势围内的温度测量。在低温区域,热电偶产生的热电势小,测量精度较低;采用热电阻可以获得很高的测量小,测量精度较低;采用热电阻可以获得很高的测量精度,而且不存在冷端补偿问题,因而在工业中被广精度,而且不存在冷端补偿问题,因而在工业中被广泛应用。泛应用。一、金属热电阻一、金属热电阻一、金属热电阻一、金属热电阻常用铂热电阻、铜热电阻。常用铂热电阻、铜热电阻。常用铂热电阻、铜热电阻。常用铂热电阻、铜热电阻。第20页,此课件共38页哦铂金属易于提纯,高温下物理、化学性能都能稳铂金属易于提纯,高温下物理、化学性能都能稳铂金属易于提纯,高温下物理、化学性能都能稳铂金属易于提纯,高温下物理
15、、化学性能都能稳定,是目前制作热电阻的最好材料,常用来制作标准测定,是目前制作热电阻的最好材料,常用来制作标准测定,是目前制作热电阻的最好材料,常用来制作标准测定,是目前制作热电阻的最好材料,常用来制作标准测温器件。温器件。温器件。温器件。铜是一种价格便宜、纯度可以获得很高的热电阻铜是一种价格便宜、纯度可以获得很高的热电阻铜是一种价格便宜、纯度可以获得很高的热电阻铜是一种价格便宜、纯度可以获得很高的热电阻材料,在材料,在材料,在材料,在-50150-50150范围内灵敏度高,而且线性好,范围内灵敏度高,而且线性好,范围内灵敏度高,而且线性好,范围内灵敏度高,而且线性好,因而在此温度范围内采用铜
16、热电阻比采用铂热电阻好,因而在此温度范围内采用铜热电阻比采用铂热电阻好,因而在此温度范围内采用铜热电阻比采用铂热电阻好,因而在此温度范围内采用铜热电阻比采用铂热电阻好,其缺点是在较高的温度下铜易氧化,因而只能用于低温其缺点是在较高的温度下铜易氧化,因而只能用于低温其缺点是在较高的温度下铜易氧化,因而只能用于低温其缺点是在较高的温度下铜易氧化,因而只能用于低温及无侵蚀性介质中;铜的电阻率比较小,热电阻体积较及无侵蚀性介质中;铜的电阻率比较小,热电阻体积较及无侵蚀性介质中;铜的电阻率比较小,热电阻体积较及无侵蚀性介质中;铜的电阻率比较小,热电阻体积较大。大。大。大。铁和镍电阻温度系数较高,电阻率大
17、,可制铁和镍电阻温度系数较高,电阻率大,可制作小体积、高灵敏度的热电阻,其缺点是易氧化、作小体积、高灵敏度的热电阻,其缺点是易氧化、不易提纯、化学稳定性差,且热电阻与温度的线不易提纯、化学稳定性差,且热电阻与温度的线性关系差,故目前尚不多用。性关系差,故目前尚不多用。第21页,此课件共38页哦二、半导体热敏电阻二、半导体热敏电阻 半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型,即型,即负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻(NTC)、正温度正温度系数热敏电阻系数热敏电阻(PTC)和在某一特定温度下电和在某一特定温度下电阻值会发生突变的阻值会发生突变的临界温度电
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