传感器与检测技术热电式传感器

09燃气灶熄火保护装置

——热电式传感器地测试项目描述在家用燃气灶,热电保护装置主要由热电偶探头,导线,电磁阀总成等组成。燃气灶具需要装有熄火保护装置,熄火保护装置探测火焰地重要检测元件就是热电偶温度传感器。如图8-1所示。目前,配置热电偶熄火保护装置地家用燃气灶,能有效防止意外熄火,避免燃气外溢发生事故。该装置具有结构简单,维修方便,元器件耐用,可靠性好等优点,已在,高档各品牌地家用燃气灶上得到广泛地采用。

知识准备一,热电效应热电偶传感器工作地基本原理是热电效应及其基本定律,掌握好基本概念与基本定律是学好热电传感器地基础。（一）热电效应及基本概念1．热电效应将两种不同成分地导体组成一个闭合回路,如图9-2所示,当闭合回路地两个结点分别置于不同地温度场时,回路将产生一个电势,这种现象称为"热电效应"。热电偶实验原理演示结论:当两个结点温度不相同时,回路将产生电动势。热电极A右端称为:自由端（参考端,冷端）左端称为:测量端（工作端,热端）热电极B热电势AB两种导体组成地回路称为"热电偶",这两种导体称为"热电极",产生地电势则称为"热电势",热电偶地两个结点,一个称为测量端（工作端或热端）,另一个称为参考端（自由端或冷端）。热电势由两部分组成,一部分是两种导体地接触电势,另一部分是单一导体地温差电势。2．接触电势3．温差电动势将某一导体两端分别置于不同地温度场T,T0,在导体内部,热端自由电子具有较大地动能,向冷端移动,从而使热端失去电子带正电荷,冷端得到电子带负电荷。4．热电偶地电势设导体A,B组成热电偶地两结点温度分别为T与T0,热电偶回路所产生地总电动势包括接触电动势温差电动势,一般地,在热电偶回路接触电动势远远大于温差电动势,所以温差电动势可以忽略不计,上式可改写成综上所述,可以得出以下结论。（1）如果热电偶两材料相同,则无论结点处地温度如何,总电势为0。（2）如果两结点处地温度相同,尽管A,B材料不同,总热电势为0。（3）热电偶热电势地大小,只与组成热电偶地材料与两结点地温度有关,而与热电偶地形状尺寸无关,当热电偶两电极材料固定后,热电势便是两结点电势差。（4）如果使冷端温度T0保持不变,则热电动势便成为热端温度T地单一函数。用实训方法求取这个函数关系。（二）热电偶基本定律1．均质导体定律由一种均质导体组成地闭合回路,不论导体地截面与长度如何以及各处地温度分布如何,都不能产生热电势。如果热电偶地热电极是非匀质导体,在不均匀温度场测温时将造成测量误差。所以,热电极材料地均匀性是衡量热电偶质量地重要技术指标之一。2．间导体定律在热电偶接入第3种均质导体,只要第3种导体地两结点温度相同,则热电偶地热电势不变。热电偶地这种性质在实用上有很重要地意义,它使我们可以方便地在回路直接接入各种类型地显示仪表或调节器,也可以将热电偶地两端不焊接而直接插入液态金属或直接焊在金属表面测量。推论:在热电偶接入第4,第5……种导体,只要保证插入导体地两结点温度相同,且是均质导体,则热电偶地热电势仍不变。3．标准电极定律（参考电极定律）已知热电极A,B分别与标准电极C组成热电偶在结点温度为（T,T0）时地热电动势分别为与,则在相同温度下,由A,B两种热电极配对后地热电动势为意义:参考电极定律大大简化了热电偶地选配工作。例8.1已知铂铑30-铂热电偶地EAC(1084.5,0)=13.937(mV),铂铑6-铂热电偶地EBC(1084.5,0)=8.354(mV)。求铂铑30-铂铑6在相同温度条件下地热电动势。解:由标准电极定律可知,,所以 EAB(1084.5,0)=EAC(1084.5,0)−EBC(1084.5,0)=13.937−8.354=5.583(mV)4．间温度定律热电偶在两结点温度分别为T,T0时地热电势等于该热电偶在结点温度为T,Tn与Tn,T0相应热电势地代数与,即间温度定律为在工业测量温度使用补偿导线提供了理论基础,可使热电偶地参考端延长,使之远离热源到达一个温度相对稳定地地方而不会影响测温地准确性。例8.2镍铬-镍硅热电偶,工作时其自由端温度为30℃,测得热电势为39.17mV,求被测介质地实际温度。解:由t0=0℃,查镍铬-镍硅热电偶分度表,E(30,

0)=1.2mV,又知E(t,

30)=39.17mV,所以E(t,

0)=E(30,

0)+E(t,

30)=1.2mV+39.17mV=40.37mV。再用40.37mV反查分度表（见表9-2）得977℃,即被测介质地实际温度。二,热电偶基本结构热电偶地结构形式有普通型热电偶,铠装型热电偶与薄膜热电偶等。热电偶地种类虽然很多,但通常由金属热电极,绝缘子,保护套管及接线装置等部分组成。（一）热电偶基本结构类型1．普通型热电偶2023/4/3019普通装配型热电偶地外形安装螺纹安装法兰2023/4/3020普通装配型热电偶地

结构放大图接线盒引出线套管固定螺纹（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）不锈钢保护管2．铠装型热电偶铠装型热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝,绝缘材料与金属套管经拉伸加工而成地坚实组合体,它可以做得很细很长,使用根据需要能任意弯曲2023/4/3022铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）BA绝缘材料铠装型热电偶横截面2023/4/3023铠装型热电偶铠装热电偶地制造工艺:把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管,运用同比例压缩延伸工艺,将这三者合为一体,制成各种直径,规格地铠装偶体,再截取适当长度,将工作端焊接密封,配置接线盒即成为柔软,细长地铠装热电偶。铠装热电偶特点:内部地热电偶丝与外界空气隔绝,有着良好地抗高温氧化,抗低温水蒸气冷凝,抗机械外力冲击地特性。铠装热电偶可以制作得很细,能解决微小,狭窄场合地测温问题,且具有抗震,可弯曲,超长等优点。3．薄膜热电偶用真空蒸镀（或真空溅射）,化学涂层等工艺,将热电极材料沉积在绝缘基板上形成地一层金属薄膜。热电偶测量端既小又薄（厚度可达0.01～0.1m）,因而热惯性小,反应快,4．表面热电偶表面热电偶是用来测量各种状态地固体表面温度地,如测量轧辊,金属块,炉壁,橡胶筒与涡轮叶片等表面温度。（二）热电偶材料1．对热电极材料地一般要求（1）配对地热电偶应有较大地热电势,并且热电势对温度尽可能有良好地线性关系。（2）能在较宽地温度范围内应用,并且在长时间工作后,不会发生明显地化学及物理性能地变化。（3）电阻温度系数小,电导率高。（4）易于复制,工艺性与互换性好,便于制定统一地分度表,材料要有一定地韧性,焊接性能好,以利于制作。2023/4/3026隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸地接线盒电缆线2023/4/3027隔爆型热电偶结构特点:隔爆热电偶地接线盒在设计时采用防爆地特殊结构,它地接线盒是经过压铸而成地,有一定地厚度,隔爆空间,机构强度较高;采用螺纹隔爆接合面,并采用密封圈进行密封,因此,当接线盒内一旦放弧时,不会与外界环境地危险气体传爆,能达到预期地防爆,隔爆效果。使用场合:工业用地隔爆型热电偶多用于化学工业自控系统（由于在化工生产厂,生产现场常伴有各种易燃,易爆等化学气体或蒸汽,如果用普通热电偶则非常不安全,很容易引起环境气体爆炸）。2023/4/3028其它热电偶外形小形K型热电偶2．电极材料地分类（1）一般金属:如镍铬-镍硅,铜-镍铜,镍铬-镍铝,镍铬-考铜等。（2）贵金属:这类热电偶材料主要是由铂,铱,铑,钌,锇及其合金组成,如铂铹-铂,铱铑-铱等。（3）难熔金属:这类热电偶材料系由钨,钼,铌,铼,锆等难熔金属及其合金组成,如钨铼-钨铼,铂铑-铂铑等热电偶。3．绝缘材料热电偶测温时,除测量端以外,热电极之间与连接导线之间均要求有良好地电绝缘,否则会有热电势损耗而产生测量误差,甚至无法测量。（1）有机绝缘材料:这类材料具有良好地电气性能,物理及化学性能,以及工艺性,但耐高温,高频与稳定性较差。（2）无机绝缘材料:其材料有陶瓷,石英,氧化铝与氧化镁等。4．保护管材料对保护材料地要求如下。（1）气密性好,可有效地防止有害介质深入而腐蚀结点与热电极。（2）应有足够地强度及刚度,耐振,耐热冲击。（3）物理化学性能稳定,在长时间工作不至于介质,绝缘材料与热电极互相作用,也不产生对热电极有害地气体。（4）导热性能好,使结点与被测介质有良好地热接触。（三）常用热电偶

1．标准型热电偶从1988年1月1日起,我热电偶与热电阻地生产全部按际电工委员会（IEC）地标准,并指定S,B,E,K,R,J,T7种标准化热电偶为我统一设计型热电偶。但其地R型（铂铑13-铂）热电偶,因其温度范围与S型（铂铑10-铂）重合,我没有生产与使用。铂铑30-铂铑6:型号为WRR,分度号是B（旧地分度号是LL-2）。测量范围是0℃～1

800℃,100℃时地热电势是0.033mV。主要特点有:使用温度高,性能稳定,精度高,易在氧化与性介质使用,但价格贵,热电动势小,灵敏度低。铂铑10-铂:型号为WRP,分度号是S（旧地分度号是LB-3）。测温范围是0℃～1

600℃,100℃时地热电势是0.645mV。主要特点有:使用温度范围广,性能稳定,精度高,复现性好,但热电动势较小,高温下铑易升,污染铂极,价格贵,一般用于较精密地测温。镍铬-镍硅:型号为WRN,分度号是K（旧地分度号是EU-2）。测温范围是200℃～1

300℃,100℃时地热电势是4.095mV。其特点有:热电势大,线性好,价廉,但材料较脆,焊接性能及抗辐射性能较差。镍铬-考铜:型号为WRK,分度号是EA-2。测温范围是0℃～800℃,100℃时地热电势是6.95mV。其特点有:热电势大,线性好,价廉,但测温范围小,考铜易受氧化而变质。标准型热电偶名称新（旧）分度号代号测温范围（ºC）铂铑30-铂铑6B(LL-2)WRR50～1280铂铑13-铂R(PR)—-50～1768铂铑10-铂S(LB-3)WRP-50～1768镍铬-镍硅K(EU-2)WRN-270～1370镍铬硅-镍硅N—-270～1370镍铬-铜镍（康铜）E(EA-2)WRK-270～800铁-铜镍（康铜）J(JC)—-210～760铜-铜镍（康铜）T(CK)WRC-270～4002．非标准型热电偶（1）铱与铱合金热电偶:如铱50铑-铱10钌,铱铑40-铱,铱铑60-铱热电偶,能在氧化环境测量高达2

100℃地高温,且热电动势与温度关系线性好。（2）钨铼热电偶:它是20世纪60年代发展起来地,是目前一种较好地高温热电偶,可使用在真空惰性气体介质或氢气介质,但高温抗氧能力差。产钨铼3-钨铼25,钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围在300℃～2

000℃,分度精度为1%。主要用于钢水连续测温,反应堆测温等场合（3）金铁-镍铬热电偶:主要用在低温测量,可在2K～273K范围内使用,灵敏度约为10V/℃。（4）钯-铂铱15热电偶:这是一种高输出性能地热电偶,在1

398℃时地热电势为47.255mV,比铂铑10-铂热电偶在同样温度下地热电势高出3倍,因而可配用灵敏度较低地指示仪表,常应用于航空工业。3．热电偶安装注意事项热电偶主要用于工业生产集显示,记录与控制用地温度检测。在现场安装时要注意以下几方面。（1）插入深度要求。安装时热电偶地测量端应有足够地插入深度,管道上安装时应使保护套管地测量端超过管道心线5～10mm。（2）注意保温。为防止传导散热产生测温附加误差,保护套管露在设备外部地长度应尽量短,并加装保温层。（3）防止变形。三,热电偶实用测温线路与温度补偿1．测量某点温度地基本电路基本测量电路包括热电偶,补偿导线,冷端补偿器,连接用铜线,动圈式显示仪表。2．测量温度之与—热电偶串联测量线路串联线路地总热电势为E地N倍,所对应地温度可由—t关系求得,也可根据平均热电势E在相应地分度表上查对。串联线路地主要优点是热电势大,精度比单支高;主要缺点是只要有一支热电偶断开,整个线路就不能工作,个别短路会引起示值显著偏低。3．测量平均温度—热电偶并联测量线路4．测量两点之间地温度差（二）热电偶地冷端迁移工业一般是采用补偿导线来延长热电偶地冷端,使之远离高温区,将热电偶地冷端延长到温度相对稳定地地方。所谓补偿导线,实际上是一对材料化学成分不同地导线,在0℃～150℃温度范围内与配接地热电偶有一致地热电特性,价格相对要便宜。由此可知,我们不能用一般地铜导线传送热电偶信号,同时对不同分度号地热电偶采用地补偿导线也不同。2023/4/3042补偿导线外形A’B’屏蔽层保护层使用补偿导线需要注意以下几个问题。（1）两根补偿导线与两个热电极地结点需要具有相同地温度。（2）只能与相应型号地热电偶配用,而且需要满足工作范围。（3）极性切勿接反。（三）热电偶地温度补偿实际应用,热电偶地冷端通常靠近被测对象,且受到周围环境温度地影响,其温度不是恒定不变地。为此,需要采取一些相应地措施进行补偿或修正,1．冷端恒温法（1）0℃恒温法。在实训室及精密测量,通常把参考端放入装满冰水混合物地容器,以便参考端温度保持0℃,这种方法又称冰浴法。（2）其它恒温法。将热电偶地冷端置于各种恒温器内,使之保持恒定温度,避免由于环境温度地波动而引入误差。2023/4/3045冰浴法在冰瓶,冰水混合物地温度能较长时间地保持在0C不变。2023/4/3046冰浴法接线图1—被测流体管道2—热电偶3—接线盒4—补偿导线5—铜质导线6—毫伏表7—冰瓶8—冰水混合物9—试管10—新地冷端2．计算修正法上述两种方法解决了一个问题,即设法使热电偶地冷端温度恒定。但是,冷端温度并非一定为0℃,所以测出地热电势还是不能正确反映热端地实际温度。为此,需要对温度进行修正,其公式为 EAB(t,t0)=EAB(t,t1)+EAB(t1,t0)例8.3用镍铬-镍硅热电偶测某一水池内水地温度,测出地热电动势为2.436mV。再用温度计测出环境温度为30℃（且恒定）,求池水地真实温度。解:由镍铬-镍硅热电偶分度表查出E(30,0)=1.203mV,所以 E(T,0)=E(T,30)+E(30,0) =2.436mV+1.203mV=3.639mV查分度表知其对应地实际温度为T=88℃,即池水地真实温度是88℃。3．电桥补偿法当热电偶地热端温度一定,冷端温度升高时,热电势将会减小。与此同时,铜电阻R地阻值将增大,从而使UR增大,由此达到了补偿地目地。4．显示仪表零位调整法当热电偶通过补偿导线连接显示仪表时,如果热电偶冷端温度已知且恒定时,可预先将有零位调整器地显示仪表地指针从刻度地初始值调至已知地冷端温度值上,这时显示仪表地示值即为被测量地实际值。指针被预调到室温（40C）可补偿冷端损失5．软件处理法对于计算机系统,不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如,冷端温度恒定但不为0℃地情况,只需在采样后加一个与冷端温度对应地常数即可。项目实施一,热电偶在煤气灶天然气保护控制地应用原理两种不同导体地组合就构成了热电偶。不同地合金,会产生不同地热电动势。热电偶通常作为温度传感器元件与仪表配套后,作为作温度地测量,指示或控制器件。上部分白色地为熄火保护用地热电偶探头针,下部分白色地为脉冲点火针。在家用燃气灶,热电保护装置主要由热电偶探头,导线,电磁阀总成及电磁阀外连杆等组成。其,热电偶地探头,导线,接头加工成一体,探头用螺母或卡簧固定在炉头上,接头与电磁阀接头相连;电磁阀总成由电磁铁,复位弹簧,气阀门与外连杆组成,安装在燃烧开关地壳体内,其控制阀门串联在供气通路。当灶具地燃烧开关点火后,热电偶受热产生电动势,通过导线向电磁铁线圈供电,使在燃烧开关开启时由外连杆下压地电磁阀门保持定位,气路沟通,正常燃烧。因某种原因造成炉头熄火时,热电偶探头降温冷却,失去电动势,电磁铁线圈失电,阀门在复位弹簧地作用下关闭气路实训内容

1.实训原理2.实训器件与单元E型热电偶,专用温度源,数显单元（主控台电压表）,直流稳压电源±15V。3.实训步骤（1）在温度控制单元上选择加热与冷却方式均为"内控"方式,将K,E热电偶插到温度测量控制仪地插孔,K型地自由端接到温度控制单元标有传感器字样地插孔（2