温度检测教学PPT热电偶热电阻.ppt

第1章 温度的检测 温度是表征物体冷热程度的物理量，是 国际计量制中的7个基本单位之一。 温度、时间、长度、质量 热加工过程中，温度的检测与控制极为 重要 接触法测量和非接触法测量 例如：红外线测温、钢水温度、超声波测距 热电偶、水银温度计 接触法测量：热膨式温度计（优缺点） 热电偶温度计 热电阻温度计 特点：测量精度高、适合多点、集中测量和自动 控制、滞后大、不适合动态测量 非接触法测量：辐射式 光学式 声学式 特点：适合高温测量、动态测量、测量容易受烟 尘、空气的影响。 本章学习要求： l热电偶传感器（将温度变化转化为热 电势变化） l热电阻传感器（将温度变化转化为电 阻变化） l辐射测温 l温度检测电路 热电偶是工业中常用的测温元件，属于能量转 换型的传感器，测量信号易于传输和变换，主要测 温范围5001500。 一、工作原理（热电效应） 将两种不同材料的导体a和b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，此现象称为热电效应。 1.1 热电偶测温技术 物理基础 1、塞贝克效应 l 热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体 组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会 有电流通过，此时两端之间就存在电动势热电 动势，这就是所谓的塞贝克效应。热能转变成电能 的现象。 l 1821年德国物理学家塞贝克发现，铜-铋，铋-锑 （热电第一效应） l 两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的 一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由 端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与 温度的函数关系, 制成热电偶分度表; 分度表是自 由端温度在0时的条件下得到的，不同的热电偶 具有不同的分度表。 塞贝克电动势的大小和方向决定于回路中两 接触点的温度差和导体材料 2、珀尔帖效应（热电第二效应） 1834 电流通过两种金属时接触点将吸热或放热。 如果电流与塞贝克电流一致，热点吸热 如果电流与塞贝克电流相反，热点放热 电能转化为热能 3、汤姆逊效应 1851，热力学理论，珀尔帖效应是塞贝克效应的逆效应 热电偶产生的热电势由两种导体的接触电动势 和单一导体的温差电动势组成。 1、接触电动势 k玻耳兹曼常数， e电子电荷量， t接触处的温度 na，nb分别为导体a和b的自由电子密度。 热端 冷端 2、温差电动势 汤姆逊系数，含 义是单一导体两 端温差1度时的温 差电势。 热端电势 冷端电势 热电偶测温条件：热电偶两个电极材料不同 两个接点的温度不同 固定 二、热电偶基本定律 1、中间温度定律 只有冷端温度不变时，热电势才与热端温度t成单值对应关系 ，但实际上冷端温度固定不变是不可能的。如把冷端放在冰 水混合物中，可以使冷端保持0。 2、中间导体定律 在热电偶回路中接入第三、第四种均质材料的导 体后，只要中间接入的导体两端具有相同的温度 ，就不会影响热电偶的热电势。 在热电偶回路中引入各种显示仪表和连接导 线，可以采用各种焊接方法来焊制热电偶，只要 保证引入的中间导体两端的温度相同，就不致影 响热电偶回路的热电势。 t t0v 对热电偶要求如下： 热电特性稳定 热电势要大，与温度最好呈线性关系 耐热性、抗氧化还原和耐蚀性强 复制性好 工艺性能好。特别焊接性能好。 表1-1 常用热电偶的基本特性 三、工业用热电偶 在铂铑10-铂热电偶中，以铂铑10丝为正 极，纯铂丝为负极，分度号为s。它的测量范 围为-201300，在良好的使用环境下可短 期测量1600；适于在氧化性或中性介质中 使用，耐高温，不宜氧化；有较好的化学稳 定性；有较高的测量精度，可用于精密温度 测量和作基准热电偶。 铂铑10-铂热电偶(s) 热电偶分度号资料 1、热电偶种类 这是一种贵重金属高温热电偶，以铂铑30 为正极，铂铑6为负极，其分度号为b。由于两 个热电极都是铂铑合金，因而提高了抗污染能 力和机械强度，在高温下其热电特性较为稳定 ，宜在氧化性和中性气氛中使用，在真空中可 短期使用。长期使用的最高温度可达1600， 短期使用温度可达1800。 铂铑30-铂铑6热电偶(b) 镍铬-镍铝或镍铬-镍硅热电偶(k) 这是一种能测量较高温度的廉价金属 热电偶，以镍铬合金为正极，镍铝(或镍硅 )合金为负极，其分度号为k，它具有较好 的抗氧化性和抗腐蚀性；其复现性较好； 热电势大；热电势与温度关系近似于线性 关系；其成本较低，虽然测量精度不高， 但能满足工业测温的要求，是工业上最常 用的热电偶；其长期使用的最高温度为 1000，短期使用温度可达1200。 这是一种廉价金属热电偶，以铜为正极， 康铜为负极，其分度号为t。因铜热电极极易 氧化，一般在氧化性气氛中使用不宜超过 300。这种热电偶的热电势率较大，热电特 性良好，材料质地均匀，成本低，但复现性较 差。在0-100温度范围内可作二等标准热 电偶，准确度达0.1。通常铜-康铜热电偶 用于200200范围内的测温。 铜-康铜热电偶（t） 2、 热电偶的结构 （1）普通热电偶 组成：热电极，绝缘套管，保护套管，接线盒 ，接线盒盖 用途：用于测量气体，蒸汽和液体等介质的温 度 （2）铠装热电偶 分类：根据测量端的型式， 可分为碰底型， 露头型，帽型等 特点：动作响应快， 测量端容量小， 挠性好 （3）薄膜热电偶 分类：片状，针状等 特点：热容量小，动作响应快，适宜测量 小面积和瞬时变化温度 （4）浸入式热电偶 作用：测量钢水，铜水，以及熔融合金的温度 特点：可直接插入液态金属中进行测量 防喷式恺装热电偶 防水式恺装热电偶 薄膜热电偶 插入式热电偶 四、热电偶的冷端补偿 (1)冰浴法： 在实验室条件下常将热电偶冷端置于冰点 恒温槽中，使冷端温度恒定在0时进行测 温，这种方法称为冰浴法。 热电偶分度表 (2)冷端温度修正： 热电偶分度表是以冷端温度为0为基础而制成 的，所以如欲直接利用分度表根据显示仪表的读数 求得温度必须使冷端温度保持为0。如果冷端温度 不为0，则必须对仪表指示值进行修正，例如冷端 温度恒定在0时，则测得的热电势将小于该热电偶 的分度值，因此为了求得所测的真实温度，可利用 例如：铂铑-铂热电偶测量炉温，工作时的冷端 温度为25度，用直流电压表测得热电偶产生的 热电势为10.280mv，求热电偶的热端温度t 查表得热端温度为 (3)冷端补偿导线： 用补偿导线代替部分热电偶丝作为热电偶的 延长部分，使冷端移到离开被测介质较远的地方 ，这样可节省较多的贵金属热电偶材补偿导线在 测温回路中的连接料。必须注意补偿导线的热电 特性与所取代的热电偶丝一样。列出了各种热电 偶补偿导线的材料，选用时务必不能搞错。同时 注意，对于具有补偿导线的热电偶，其冷端温度 应该是补偿导线的末端温度。 热电偶名 称 补偿导线 正极负极 材料颜色材料颜色 铂铑-铂铜红镍铜白 镍铬-镍硅铜红康铜白 镍铬-康铜镍铬褐绿康铜白 铜-康铜铜红康铜白 可以让热电偶的冷端保持恒定，远离工作 端，热电势才是被测温度的单值函数 （4）冷端补偿器： 1.2 热电阻传感器 工作原理：将温度变化转化为电阻值变化。 u 热电阻 铂热电阻 铜热电阻 u 热敏电阻 正温度系数热敏电阻（ptc） 负温度系数热敏电阻（ntc） 临界温度系数热敏电阻（ctr） 不同的电阻对上式得简化形式不同 1、铂热电阻 贵重金属，物理化学性质稳定，用于标准的电阻温度计 一、热电阻 标准化，纯度以r100/r0表示 表1-4 常用pt100 2、铜热电阻 铜价格便宜，易于提纯，复制性能好，灵敏度高 ，但电阻率低，适于-50150度范围内的测量。 常用有cu50和cu100 其它热电阻 铂、铜电阻不适宜作低温和超低 温的测量。 铟电阻适宜在-269-258温 度范围内使用，测量精度高，复现性差。 锰电阻适宜在-271-210温 度范围内使用，灵敏度高，但是质脆易损坏 。 碳电阻适宜在-273-268.5 温度范围内使用，热容量小，灵敏度高，价 格低廉，操作简便，但是热稳定性差。 热敏电阻的特点 （1）负温度系数热敏电阻 （ntc） a：电阻温度系数大，灵敏度高，约为 热电阻的十倍。 b：结构简单，体积小，可测量点温度 。 c：电阻率高，热惯性小，适宜动态测 量。 d：易于维护和进行远距