传感器-热电式传感器

1、传感器_热电式传感器第1页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日 7.2 热电偶传感器热电阻与热电偶的区别第一，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。第二，检测的温度范围不一样，热电阻是低温检测（0-150度），热电耦是高温检测（0-1000度）。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。 第2页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日7.2 热电偶传感器一、工作原理热电效应两种不同材料A、B组成闭合回路，两节点AB1，AB2 处于不同温度T和T0，回路中形成一热电势和相应的热电流 i ， 该现象称为

2、热电效应7.2.1 热电偶工作原理及其工作定律热电势由两部分组成：温差电势和接触电势。第3页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日1. 接触电势EAB(T)A、B两种金属在温度T 时的接触电势；接触电势的大小与温度T高低及两种导体中的电子密度NA、NB间差异有关。TEAB(T)+BANANB1、接触电势第4页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日2. 温差电势EA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0高低端的绝对温度； AEA(T,To)TT0第5页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日3. 回路总电势EAB(T，

3、T0) = EAB(T) EAB(T0) EA(T,T0) EB(T,T0) 考虑温差电势较接触电势可忽略不计,有：EAB(T，T0) = EAB(T) EAB(T0)第6页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日 二、热电耦工作定律（一）均质导体定律 构成热电偶的基本定律（二）中间导体定律 热电偶测量的基本定律（三）连接导体定律 电路中应用补偿导线节约贵金属（四）中间温度定律 计算修正的依据（五）参考电极定律 热电偶选配依据第7页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日(一) 均质导体定律（1）由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没

4、有电流(即不产生电动势)；TT0AA热端冷端TT0AB热端冷端反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。第8页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日（2）当材料（A，B）一定时，热电势 仅与热电偶两端点温度有关：EAB(T，T0) = EAB (T) EAB (T0)若使EAB (T0) =C时，则：EAB(T，T0) = EAB (T) Cf (T) 即热电势为热端温度T的单值函数，这就是热电偶测温原理TT0AB热端冷端第9页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日（二）中间导体定律1）一个由几种不同导体材料连接成的

5、闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。0E总 EAB(T) EBC(T) ECA(T) 第10页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日2）将A、B构成的热电偶的T0端断开，接入第三种导体C，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体C后对回路总电动势无影响。EABC(T，T0) EAB(T) EBC(T0)ECA (T0)EAB(T) EAB(T0)EABC(T，T0) EAB(T，T0) 第11页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日图示：第三种材料接入热电偶回路的两种情况图b，在材料A中加入第三导体C，使C两端点温

6、度相同为T2，不影响原回路总电势。EAB(T1,T0)=EAB(T1)-EAB（T0）T0T123ABEABT2CT0(c)图c，在AB右节点加入第三导体C，不影响原回路总电势。EAB（T1, T0）=EAB（T1）-EAB（T0）(b)T0T1ABCEABAT2T2(a)T0T1BAEAB第12页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日意义：可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等。第13页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日(三） 连接导体定律EABBA（T，Tn，T0） EAB（T） EBB（ Tn） EBA（ T0

7、） EAA（Tn） EAB（T） EB A（ T0 ） EBB（ Tn） EAA（Tn）是运用补偿导线进行测温的理论基础在热电偶回路中，接入连接导线A、B ，各接点温度为：T Tn T0则回路总电势为第14页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日应用：补偿导线原理引入与A、B同样热电特性的材料(即补偿导线) A、B则回路总电动势不变，仍为EABBA（T1，Tn，T0） EAB(T1)EAB(T0) = EAB (T1，T0) 即：接入AB后不管接点温度Tn如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。BABT1Tn TnAET0例第15页，共47页，2022年，5月20

8、日，16点21分，星期日热电偶补偿导线知识由于热电偶 的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。 第16页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日补偿导线类型1 延长型补偿导线又称延长型导线，其合金丝的名义化学成分及热电动势标称值与配用的热电偶相同。2. 补偿型补偿导线又称补偿型导线，其合金丝的名义化学成分与配用的热电偶不同，但其热电动势值在0100或0200时与配用热电偶的热电动势标称值相同。 第17页，共47页，2022年，5月

9、20日，16点21分，星期日（四）中间温度定律 对于材料A、B，若已知热电势EAB(T1, T0)、 EAB(T0, T2)B T0 T1 AABBA T2 则：EAB（T1, T2）=EAB（T1, T0）+EAB（T0, T2）或：EAB（T1, T2）=EAB（T1, T0）EAB（T2, T0）第18页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日应用：热电偶分度表在工程应用中，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。表分度表中，参考端温度为:0摄氏度 当冷端温度 T00 时，EAB(T，T0) 是热电偶热端T对于0和冷端T0 对于0时的热电势之差 BAB(

10、T，T0) EAB(T，0） EAB(T0 ，0)第19页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日热电势单位：V第20页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日第21页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日例1例2第22页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日例：用分度号为K的镍铬-镍硅热电偶测量温度，在没有采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为500，而这时冷端温度为60。试问：实际温度应 T 为多少？E（60，0） E（T，60）60 TE（T，0）0 E（500，0） 2.436mv 23.076mvE（557，0）

11、20.64mvE（T，0） E（T，60） E（60，0）T 为557 表1表2第23页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日如果热端温度不变，设法使冷端温度保持在20，此时显示仪表的指示值应为多少？显示仪表指示值应为538.4。 显示误差为18.6 E（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1表2第24页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日(五）参考电极定律如果任意两种导体材料的热电势是已

12、知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，T0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CBT0TEAB(T,T0)AB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，2022年，5月20日，16点21分，星期日意义：方便热电偶的配选工作。由各种材料A、B与标准电极C（铂）组成的热电偶分度表，可求出任何二种材料电极A、B组成的热电偶产生的热电势。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，2022年，5月20日，16点21分，星期日例题3：铜-铂构成热电偶在（100，0）下热电动势为0.75mV；康铜-铂构成

13、热电偶在（100，0）下热电动势为3.35mV；问铜-康铜构成热电偶时在（100，0）下热电动势为多少？ 0100铜铂E铜-铂(100,0)0.75mV铂康铜E康铜-铂(100,0)3.35mVE铜-康铜(100,0)康铜铜4.10mV第27页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日7.2.2 热电偶传感器一、热电偶材料1、热电偶材料应满足：物理性能稳定，热电特性不随时间改变；化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；便于制造；复现性好，便于成批生产。第28页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日2、标准热电偶：标准

14、热电偶：指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶。有相应的分度表、线性化集成电路。有与其配套的显示仪表可供选用。我国从1991年开始采用（ITS-90）新标准，共有八种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，写在后面的为负极。第29页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日八种国际通用热电偶特性表 名 称分度号测温范围/C100C时的热电势/mV1000C时的热电势/mV铂铑30-铂铑6 B 5018200.0334.834铂铑13-铂R-5017680.64710.506铂铑10-铂S-50

15、17680.6469.587镍铬-镍硅K-27013704.09641.276镍铬硅镍硅N-27013002.74436.256镍铬铜镍 （康铜）E-2708006.319铁铜镍 （康铜）J-2107605.269铜铜镍 （康铜）T-2704004.279第30页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日第31页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日热电偶产品型号第32页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日（1）普通热电偶（2）薄膜热电偶二、热电偶的结构第33页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日（3）铠装热电偶将热电极、

16、绝缘材料和金属保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；细：一般直径为18mm；长：长度一般为120m；第34页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日（4）表面热电偶温度计凸型： 固体平面温度测量2.弓型： 固体圆形、球形表面温度测量3.针形：导电固体表面温度测量第35页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日热电偶产品热电偶、热电偶插件、温度变送器第36页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日安装形式第37页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日热电偶温度计第38页，共47页，2022年，5月20日，16点2

17、1分，星期日三、 热电偶的温度补偿原因为保证输出热电势是被测温度T的单值函数，必须使冷端温度T0保持恒定；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据。方法： 0 恒温法 计算修正法 补正系数法冷端补偿器法 软件处理法第39页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日1、 0 恒温法（冰点槽法）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。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，2022年，5月20日，16点21分，星期日2. 计算修正法以普通室温为参考端实际温度Tn，利用公式计算EAB(T,0)=EAB(T,Tn

18、)+EAB(Tn,0)第41页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日3. 补正系数法参考端实际温度tn乘上系数k，加到由EAB(t，tn) EAB(t1，0)查分度表所得的温度上t1，成为被测温度t。用公式表达即 t t1 k t n例：已知参考端温度为30，镍铬考铜热电偶测得温度600。查表75，对应于600的补正系数k=0.78则被测温度： t = 6000.7830623.4（）第42页，共47页，2022年，5月20日，16点21分，星期日4、延伸热电极法 补偿导线法用补偿导线将显示/测量仪表位置延伸到远离被测点的冷端。注意：型号、极性随着热电偶的标准化，补偿导线也形成了标准系列。国际电工委员会也制定了