传感器原理及检测技术PPT电子课件教案-第7章 热电式传感器.ppt

第七章 热电式传感器,补充知识,温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展最快的传感器之一。,温度是与人类生活息息相关的物理量。 在2000多年前，就开始为检测温度进行了各种努力，并开始使用温度传感器检测温度。 人类社会中，工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等部门都与温度有着密切的关系。 工业生产自动化流程,温度测量点要占全部测量点的一半左右。,温度是反映物体冷热状态的物理参数。,因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。,一、温度的基本概念,热平衡：温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。 分子物理学：温度反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度。 能量：温度是描述系统不同自由度间能量分配状况的物理量。 表示温度大小的尺度是温度的标尺，简称温标。,热力学温标 国际实用温标 摄氏温标 华氏温标,如果在式中再规定一个条件,就可以通过卡诺循环中的传热量来完全地确定温标。1954年，国际计量会议选定水的三相点为273.16，并以它的1/273.16定为一度，这样热力学温标就完全确定了，即t=273.16(q1/q2)。,1848年威廉汤姆首先提出以热力学第二定律为基础，建立温度仅与热量有关，而与物质无关的热力学温标。因是开尔文总结出来的，故又称开尔文温标，用符号k表示。它是国际基本单位制之一 。 根据热力学中的卡诺定理，如果在温度t1的热源与温度为t2的冷源之间实现了卡诺循环，则存在下列关系式,1热力学温标,q1热源给予热机的传热量 q2热机传给冷源的传热量,为解决国际上温度标准的统一及实用问题，国际上协商决定，建立一种既能体现热力学温度（即能保证一定的准确度），又使用方便、容易实现的温标，即国际实用温标international practical temperature scale of 1968(简称ipts-68)，又称国际温标。,2国际实用温标,注意：摄氏温度的分度值与开氏温度分度值相同，即温度间隔1k=1。t0是在标准大气压下冰的融化温度， t0 = 273.15 k。水的三相点温度比冰点高出0.01 k。,1968年国际实用温标规定热力学温度是基本温度，用t表示，其单位是开尔文，符号为k。1k定义为水三相点热力学温度的1/273.16，水的三相点是指纯水在固态、液态及气态三项平衡时的温度，热力学温标规定三相点温度为273.16 k，这是建立温标的惟一基准点。,四个温度段：规定各温度段所使用的标准仪器 低温铂电阻温度计（13.81k273.15k）； 铂电阻温度计（273.15k903.89k）； 铂铑-铂热电偶温度计（903.89k1337.58k）； 光测温度计（1337.58k以上）。 国际实用开尔文温度与国际实用摄氏温度分别用符号t68和t68来区别（一般简写为t与t）。,3摄氏温标,是工程上最通用的温度标尺。摄氏温标是在标准大气压(即101325pa)下将水的冰点与沸点中间划分一百个等份，每一等份称为摄氏一度(摄氏度，)，一般用小写字母t表示。与热力学温标单位开尔文并用。 摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系如下：,4华氏温标,目前已用得较少，它规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为180份，每一等份称为华氏一度，符号用，它和摄氏温度的关系如下：,t=t+273.15 k,t=t-273.15 ,m=1.8n+32 ,n= 5/9 (m-32) ,1. 热电效应,.1 热 电 偶,.1.1 热电偶的工作原理,热电势 eab( t,t0 ),热电偶,热电极,热端（工作端） 冷端（自由端或参考端）,（1 ）接触电动势,接触电势 温差电势,若金属a的自由电子浓度大于金属b的，则在同一瞬间由a扩散到b的电子将比由b扩散到a的电子多，因而a对于b因失去电子而带正电，b获得电子而带负电，在接触处便产生电场。a、b之间便产生了一定的接触电动势(帕尔帖电势)。,热电势 eab( t,t0 ),接触电动势的大小与两种金属的材料、接触点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。,对于温度为t的接点，有如下接触电动势公式：,上式说明接触电动势的大小与接点温度的高低及导体中的电子密度有关。,对于任何一种金属，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓度也不同，温度高的一端浓度大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小。因此高温端的自由电子要向低温端扩散，高温端因失去电子而带正电，低温端得到电子而带负电，形成温差电动势，又称汤姆森电动势。,（2）温差电动势,温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。导体a两端的温差电动势可用下式表示：,ea（t，t0）导体a两端温度分别为t、t0时形成的温差电动势； t、t0高、低温端的绝对温度； a汤姆逊系数，表示导体a两端的温度差为1时所产生的温差电动势。,同样导体b两端的温差电动势如下式所示：,图7-4 闭合回路总的热电势,(3) 回路总电动势,由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由电子密度的影响很小，故温差电动势可以忽略不计，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势。nat和nat0可记做na，nbt和nbt0可记做nb ，则 有,在标定热电偶时，一般使t0为常数，则, 热电偶回路的热电动势只与组成热电偶的材料及两端接点的温度有关；与热电偶的长度、粗细、形状无关。,2. 热电偶基本性质, 只有用不同性质的材料才能组合成热电偶，相同材料不会产生热电动势。因为当a、b两种导体是同一种材料时， ln（na/nb）=0，所以eab（t，t0）=0。, 只有当热电偶两端温度不同时，不同材料组成的热电偶才能有热电动势产生；当热电偶两端温度相同时，不同材料组成的热电偶也不产生热电动势，即eab（t，t0）=0。, 导体材料确定后，热电动势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使eab（t0）=常数，则回路热电动势eab（t， t0 ）就只与温度t有关，而且是t的单值函数，这就是利用热电偶测温的基本原理。, 对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，若各接点温度分别为t1、t2tn ，闭合回路总的热电动势为：,3. 热电偶基本定律,(1) 均质导体定律 如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势均为零；反之，如果有热电动势产生，两个热电极的材料则一定是不同的。,根据这一定律，可以检验两个热电极材料的成分是否相同(称为同名极检验法)，也可以检查热电极材料的均匀性。,(2) 中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种导体c，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。,右图回路中的总电动势为：,如果回路中三个接点的温度都相同，即tt0，则回路总电动势必为零，即：,即,则,如果按右图接入第三种导体c，则回路中的总电动势为：,而,所以,(3) 标准（参考）电极定律 如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就可知。,两式相减得：,（7-13）,若一个热电偶由a、b、c三种导体组成，且回路中三个接点的温度都相同，则回路总电动势必为零，即：,或,即导体a与b组成的热电偶的热电动势也可知。可简化热电偶的选配工作。,将（7-14）和（7-15）代入（7-13）式可得：,解：由标准电极定律，镍铬和考铜热电偶的热电动势应等于镍铬合金与纯铂热电偶与考铜与纯铂热电偶的热电动势的差，即,例6-1 热端为100、冷端为0时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mv，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mv，求镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生的热电动势。,2.95mv-(-4.0mv)=6.95mv,(4) 中间温度定律 热电偶在两接点温度分别为t、t0时的热电动势等于该热电偶在接点温度分别为t、tn和接点温度分别为tn、t0时的相应热电动势的代数和。,证明：,即：,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。,当tn=0时，则：,上式说明：只要a、b组成的热电偶在冷端温度为零时的“热电动势 温度”关系已知，则它在冷端温度不为零时的热电动势即可知。,中间温度定律表明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料a、b相同热电特性的材料c、d即引入所谓补偿导线时，只要它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与两连接点温度无关，只与热电偶两端的温度有关。,热电偶补偿导线接线图,由于a与c、b与d的热电特性相同，由热电偶的基本性质可知：eac（tn）= ebd（tn）=0，则回路总电动势为:,7.1.2 常用热电偶的结构,1. 普通工业用装配式热电偶,图7-9 工业用装配式热电偶结构示意图,(a)接壳式,(b)绝缘式,2铠装（或套管式）热电偶的结构,由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式如图。,图7-1 铠装热电偶断面 结构示意图 1 金属套管; 2绝缘材料; 3热电极,图7-11 接壳式与绝缘式热电偶断面结构示意图,3快速反应薄膜热电偶 用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶。其热接点极薄(0.010.lm) ,快速反应薄膜热电偶 1热电极; 2热接点; 3绝缘基板; 4引出线,特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时,用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。尺寸为 6060.2mm; 测温范围在300以下；反应时间仅为几ms。,4快速消耗微型热电偶 可测钢水的温度。用直径为0.050.lmm的铂铑10一铂铑30热电偶装在u型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。,1钢帽； 2石英； 3纸环； 4绝热泥；5冷端； 6棉花；7绝缘纸管； 8补偿导线；9套管； 10塑料插座； 11簧片与引出线,7.1.3 热电偶材料,用作热电极的材料应具备下面的条件：, 温度测量范围广。要求在规定的温度测量范围内有较高的测量精确度，有较大的热电动势。温度与热电动势的关系是单值函数，最好是呈线性关系。 性能稳定。要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳定，均匀性和复现性好。, 物理化学性能好。要求在规定的温度测量范围内有良好的化学稳定性、抗氧化性或抗还原性能。,满足上述条件的热电偶材料并不很多。我国把性能符合专业标准或国家标准并具有统一分度表的热电偶材料称为定型热电偶材料(用于标准热电偶制作)。,从1988年1月1日起，我国热电偶和热电阻的生产全部按国际电工委员会（iec）的标准，并指定s、b、e、k、r、j、t七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。但其中的r型（铂铑13-铂）热电偶，因其温度范围与s型（铂铑10-铂）重合,我国没有生产和使用。,7.1.4 热电偶的种类,1. 标准型热电偶,(1) 铂铑30-铂铑6热电偶（分度号b）,它的正极是铂铑丝(铂70%，铑30%)，负极也是铂铑丝(铂94%，铑6%)，俗称双铂铑。测量温度最高长期可达1600，短期可达1800。 优点是材料性能稳定，测量精度高，测温上限高。 缺点是在还原性气体中易被侵蚀，成本高。,(2) 铂铑10-铂热电偶（分度号s）,正极是铂铑丝(铂90%，铑l0%)，负极是纯铂丝。测量温度最高长期可达1300，短期可达1600，一般用来测量1000以上的高温。 优点是材料性能稳定；测量准确度较高，可做成标准热电偶或基准热电偶；抗氧化性强，宜在氧化性、惰性气氛中工作。,缺点是在高温还原性气体中（如气体中含c、h2等）易被侵蚀，需要用保护套管；另外其热电极材料属贵金属，成本较高，热电势也较弱。,国际温标中规定它为630.741064.43温度范围内复现温标的标准仪器。,正极是镍铬合金(88.489.7镍、910铬，0.6硅，0.3锰，0.40.7钴)，负极为镍硅(镍97.797镍,23硅,0.40.7钴)。测温范围为-200+1300。 优点是测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大、高温下抗氧化能力强、价格低，所以在工业上应用广泛。,(3) 镍铬-镍硅热电偶（分度号k）,缺点是热电动势的稳定性和精度较b型或s型热电偶差，在还原性气体和含有so2、h2s等气体中易被侵蚀。测量温度长期可达1000，短期可达1300。,(4) 镍铬-铜镍热电偶（分度号e）,正极是镍铬合金，负极是铜镍合金(铜55%，镍45%)。测温范围为-200+1000。 优点是热电动势较其他常用热电偶大。适宜在氧化性或惰性气氛中工作。,正极是铁，负极是铜镍合金。测温范围为-200+1300。 其特点是价格低、热电动势较大（仅次于e型热电偶）、灵敏度高（约53v/）、线性度好、价格便宜，可在800以下的还原介质中使用。 主要缺点是铁极易氧化。,(5) 铁-铜镍热电偶（分度号j）,正极是铜，负极是铜镍合金，测温范围为 -200+400，热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为43v/。优点是精度高、复现性好、稳定性好、价格便宜。缺点是铜极易氧化，故在氧化性气氛中使用时，一般不能超过300。,(6) 铜-铜镍热电偶（分度号t）,在0-100范围内，铜-铜镍热电偶已被定为三级标准热电偶，用以检测低温仪表的精度，误差不超过0.1。,几种常用热电偶的测温范围及精确度,wr装配式热电偶基本型号,装配式热电偶, 铱和铱合金热电偶： 如铱50铑铱10钌、铱铑40-铱、铱铑60-铱热电偶。它能在氧化环境中测量高达2100的高温，且热电动势与温度关系线性好。,2. 非标准型热电偶, 钨铼热电偶： 60年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。 国产钨铼3-钨铼25、钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围在3002000，分度精度为1。主要用于钢水连续测温、反应堆测温等场合。, 金铁镍铬热电偶：主要用在低温测量，可在2273k范围内使用，灵敏度约为10v。, 钯铂铱15热电偶： 是一种高输出性能的热电偶，在1398时的热电势为47.255mv，比铂铑10铂热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。,7.1.5 热电偶的冷端补偿方法,1. 冷端恒温法,(1) 冰点槽法 将热电偶的冷端置于冰点槽内(冰水混合物)，使冷端温度处于0，如图7-13所示。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。这种装置通常用于实验室或精密的温度测量。,图7-13 冰点槽法,(2) 其他恒温器 将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使之保持温度恒定，避免由于环境温度的波动而引入误差。这类恒温器可以是盛有变压器油的容器，利用变压器油的热惰性恒温；也可以是电加热的恒温器。这类恒温器的温度不是0，所以最后还需对热电偶进行冷端温度修正。,2. 补偿导线法,利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所(如仪表室)。 根据中间温度定律，只要热电偶的两个热电极分别与两补偿导线的接点温度一致，就不会影响热电动势的输出。,例7-2 采用镍铬-镍硅热电偶测量炉温。热端温度为800，冷端温度为50。 为了进行炉温的调节与显示，必须将热电偶产生的热电动势信号送到仪表室，仪表室的环境温度恒为20。,首先由镍铬-镍硅热电偶分度表查出它在冷端温度为0，热端温度分别为800、50、20时的热电动势：,e(800，0)33.277mv；,如果热电偶与仪表之间直接用铜导线连接，根据中间导体定律，输入仪表的热电动势为 ：,e(50，0)2.022mv； e(20，0)=0.798mv。,e(800，50)=e(800，0)-e(50，0) =(33.277-2.022)mv =31.255mv,查分度表知，对应31.255mv的温度是751。与炉内真实温度相差49。,如果在热电偶与仪表之间用补偿导线连接，相当于将热电极延伸到仪表室，输入仪表的热电动势为,e(800，20)=e(800，0)-e(20，0) =(33.277-0.798)mv =32.479mv,查分度表知，对应32.479mv的温度是781，与炉内真实温度相差19。,若冷端温度恒定，但并非0，要使测出的热电动势只反映热端的实际温度，则必须对温度进行修正。修正公式如下：,3. 计算修正法,例7-3 用镍铬-镍硅热电偶测某一水池内水的温度，测出的热电动势为2.436mv。再用温度计测出环境温度为30(且恒定)，求池水的真实温度。,解：由镍铬-镍硅热电偶分度表查出,e(30，0)= 1.203mv,e(t，0)= e(t，30)+e(30，0) =2.436mv+1.203mv=3.639mv,所以：,查分度表知其对应的实际温度为t=88。即池水的真实温度是88。,4. 电桥补偿（又称冷端补偿器）法,图6-14 补偿电桥,回路输出电压为: u= e（t，t0）+(utu3),只要能满足下式即可达到自动补偿的目的,如果热电偶的冷端温度变化范围为0+50，热电偶选用铂铑10-铂。查分度表得出e为0.299mv，因此补偿电阻rt的阻值可以根据上式求出。,几种常用的冷端温度补偿器,5. 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)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