第九章 电容传感器

自动检测技术课程授课教案PAGEPAGE1《自动检测与转换技术》第4版“十四五”职业教育国家规划教材经全国职业教育教材审定委员会审定统一书号：978-7-111-62119-5（第四版）第九章热电偶传感器课题：热电偶传感器的原理及应用课时安排：2课次编号：13教材分析难点冷端温度补偿重点热电偶的应用教学目的和要求1.了解温标的概念2.了解热电偶传感器的工作原理；3.掌握热电偶的选用；3.掌握分度表的应用；4.掌握热电偶的应用5.了解热电偶冷端温度补偿的方法。采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂互动、分析教具：各种热电偶各教学环节和内容演示：做以下的实验：将两根不同材质的金属（例如不锈钢丝及紫铜电线）的端部绞在一起。用打火机烧该端部。用数字毫伏表测量另两端输出的“热电动势”。可以看到，毫伏表的读数随铰接的端部的颜色变红，而上升。从以上演示，引入第一节的热电偶传感器的工作原理。一、热电效应1821年，德国物理学家赛贝克（TJSeebeck）用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转，如图9-1a图9-1热电偶原理图a）热电效应b）结点产生热电动势示意c）图形符号1－工作端2－热电极3－指南针4－参考端当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。这种物理现象称为热电效应。两种不同材料的导体所组成的回路称为“热电偶”，组成热电偶的导体称为“热电极”，热电偶所产生的电动势称为热电动势（以下简称热电势）。热电偶的两个结点中，置于温度为T的被测对象中的结点称之为测量端，又称为工作端或热端；而置于参考温度为T0的另一结点称之为参考端，又称自由端或冷端。几个结论：1）如果热电偶两电极材料相同，即使两端温度不同（t≠t0），但总输出热电势仍为零。因此必须由两种不同材料才能构成热电偶。2）如果热电偶两结点温度相同，则回路总的热电势必然等于零。两结点温差越大，热电势越大。3）式（9-4）中，未包含与热电偶的尺寸形状有关的参数，所以热电势的大小只与材料和结点温度有关。如果以摄氏温度为单位，EAB（T,T0）也可以写成EAB（t,t0），其物理意义略有不同，但电动势的数值是相同的。二、中间导体定律若在热电偶回路中插入中间导体，只要中间导体两端温度相同，则对热电偶回路的总热电动势无影响。图9-3a所示的热电偶回路中插入多种导体（D、E、F……），只要保证插入的每种导体的两端温度相同，则对热电偶的热电动势也无影响。图9-3具有中间导体的热电偶回路a）原理图b）应用电路1—毫伏表的镍铜表棒2—磷铜接插件3—漆包线动圈表头HNi—镍黄铜QSn—锡磷青铜Sn—焊锡NiMn—镍锰铜电阻丝Cu—紫铜导线第二节热电偶的种类及结构一、热电极材料和通用热电偶热电极和热电偶的种类繁多，我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，共有八种标准化了的通用热电偶，表9-2所列热电偶中，写在前面的热电极为正极，写在后面的为负极。二、分度表热电偶自由端（冷端）温度为0℃时，热电偶工作端（热端）温度与输出热电势之间的对应关系的表格。本教材列出了工业中常用的镍铬-镍硅（K）热电偶的分度表，见附录表9-2八种国际通用热电偶特性表名称分度号测温范围/℃100℃热电势/mV1000℃热电势/mV特点铂铑30-铂铑6①B50～18200.0334.834熔点高，测温上限高，性能稳定，准确度高，100℃铂铑13-铂R-50～17680.64710.506使用上限较高，准确度高，性能稳定，复现性好；但热电势较小，不能在金属蒸气和还原性气氛中使用，在高温下连续使用时特性会逐渐变坏，价昂；多用于精密测量铂铑10-铂S-50～17680.6469.587优点同上；但性能不如R型热电偶；长期以来曾经作为国际温标的法定标准热电偶镍铬-镍硅K-270～13704.09641.276热电势大，线性好，稳定性好，价廉；但材质较硬，在1000℃镍铬硅-镍硅N-270～13002.74436.256是一种新型热电偶，各项性能均比K型热电偶好，适宜于工业测量镍铬-铜镍（锰白铜）E-270～8006.319－热电势比K型热电偶大50%左右，线性好，耐高湿度，价廉；但不能用于还原性气氛；多用于工业测量铁-铜镍（锰白铜）J-210～7605.269－价格低廉，在还原性气体中较稳定；但纯铁易被腐蚀和氧化；多用于工业测量铜-铜镍（锰白铜）T-270～4004.279－价廉，加工性能好，离散性小，性能稳定，线性好，准确度高；铜在高温时易被氧化，测温上限低；多用于低温域测量。可作-200～0℃温域的计量标准①铂铑30表示该合金含70%的铂及30%的铑，以下类推。图9-4常用热电偶的热电动势与温度的关系分析图9-4：从图中可以看到，在0℃时它们的热电势均为零，这是因为绘制热电势-温度曲线或制定分度表时，总是将冷端置于0从图9-4中还可以看出，B、R、S及WRe5-WRe26（钨铼5-钨铼26）等热电偶在100℃从图9-4中还可以看到，多数热电偶的输出都是非线性（斜率不为常数）的。国际计量委员会已对这些热电偶的化学成分和每一摄氏度的热电势做了非常精密的测试，并向全世界公布了它们的分度表（t0=1．装配式热电偶装配式热电偶主要用于测量气体、蒸气和液体等介质的温度。这类热电偶已做成标准形式，其中包括有棒形、角形、锥形等。从安装固定方式来看，有固定法兰式、活动法兰式、固定螺纹式、焊接固定式和无专门固定式等几种。装配式热电偶主要由接线盒、保护管、接线端子、绝缘瓷珠和热电极组成基本结构，并配以各种安装固定装置组成。图9-6装配式热电偶在管道中的安装方法1—热电偶2—管道3—绝热层2．铠装热电偶铠装热电偶是由金属保护套管、绝缘材料和热电极三者组合成一体的特殊结构的热电偶。它是在薄壁金属套管（金属铠）中装入热电极，在两根热电极之间及热电极与管壁之间牢固充填无机绝缘物（MgO或Al2O3），使它们之间相互绝缘，使热电极与金属铠成为一个整体。它可以做得很细很长，而且可以弯曲。热电偶的套管外径最细能达0.5mm，长度可达100m以上。图9-7铠装热电偶的结构及外形a）结构b）径向剖面图c）外形1－内电极2－绝缘材料3－薄壁金属保护套管4－屏蔽层5－接线卡t－测量端t0－冷端铠装热电偶具有响应速度快，可靠性好，耐冲击，比较柔软，可挠性好，便于安装等优点，因此特别适用于复杂结构（如狭小弯曲管道内）的温度测量。３．薄膜热电偶薄膜热电偶如图9-8所示。它是用真空蒸镀的方法，把热电极材料蒸镀在绝缘基板上而制成。测量端既小又薄，厚度可以小到几微米左右，热容量小，响应速度快，便于敷贴。适用于测量微小面积上的瞬变温度。图9-8薄膜热电偶除以上所述之外，尚有专门用来测量各种固体表面温度的表面热电偶，专门为测量钢水和其它熔融金属而设计的快速热电偶等。提问：测量马路的黄色“钠灯”玻璃的表面温度（可达200℃以上）应选用______型的热电偶；测量锅炉大型烟道中的烟气温度，应选用______型的热电偶；测量100m深的岩石钻孔中的温度，应选用______型的热电偶。第四节热电偶冷端的延长图9-9利用补偿导线延长热电偶的冷端a）补偿导线结构b）接线图c）补偿导线的外形1－测量端2－热电极3－接线盒1（中间温度）4－补偿导线5－接线盒2（新的冷端）6－铜引线（中间导体）7－毫伏表实际测温时，由于热电偶长度有限，自由端温度将直接受到被测物温度和周围环境温度的影响。例如，热电偶安装在电炉壁上，而自由端放在接线盒内，电炉壁周围温度不稳定，波及接线盒内的自由端，造成测量误差。虽然可以将热电偶做得很长，但这将提高测量系统的成本，是很不经济的。工业中一般是采用补偿导线来延长热电偶的冷端，使之远离高温区。补偿导线测温电路如图9-9所示。补偿导线（A'、B'）是两种不同材料的、相对比较便宜的金属（多为铜与铜的合金）导体。它们的自由电子密度比与所配接型号的热电偶的自由电子密度比相等，所以补偿导线在一定的环境温度范围内，如0~100℃提问：为什么通常不将热电偶做得很长？铂铑10-铂，与补偿导线比较，哪种比较贵？为什么？图9-9利用补偿导线延长热电偶的冷端a）补偿导线结构b）接线图c）补偿导线的外形1－测量端2－热电极3－接线盒1（中间温度）4－补偿导线5－接线盒2（新的冷端）6－铜引线（中间导体）7－毫伏表第五节热电偶的冷端温度补偿由热电偶测温原理可知，热电偶的输出热电势是热电偶两端温度t和t0差值的函数，当冷端温度t0不变时，热电势与工作端温度成单值函数关系。各种热电偶温度与热电势关系的分度表都是在冷端温度为0℃时作出的，因此用热电偶测量时，若要直接应用热电偶的分度表，就必须满足t0=0℃的条件。但在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0℃一、冷端恒温法1）将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0℃不变。此法也称冰浴法，它消除了t0不等于02）将热电偶的冷端置于电热恒温器中，恒温器的温度略高于环境温度的上限（例如40℃3）将热电偶的冷端置于恒温空调房间中，使冷端温度恒定。应该指出的是，除了冰浴法是使冷端温度保持0℃图9-,10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－新的冷端二、计算修正法当热电偶的冷端温度t00℃时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势EAB（t,t0）与冷端为0℃时所测得的热电势EAB（t,0℃）不等。若冷端温度高于0℃，则EAB（t，t0）<EAB（EAB（t,0℃）=EAB（t,t0）+EAB（t0,0℃）（9-式（9-6）中，EAB（t，t0）是用毫伏表直接测得的毫伏数。修正时，先测出冷端温度t0，然后从该热电偶分度表中查出EAB（t0，0℃）（此值相当于损失掉的热电势），并把它加到所测得的EAB（t,t0）上。根据式（9-3）求出EAB（t,0℃）（此值是已得到补偿的热电势），根据此值再在分度表中查出相应的温度值。计算修正法共需要查分度表两次。如果冷端温度低于0℃，由于查出的EAB（t0,0℃）是负值，所以仍可用式例9-1用镍铬-镍硅（K型）热电偶测炉温时，冷端温度t0=30℃，在直流毫伏表上测得的热电势EAB（t,30解查镍铬-镍硅热电偶（附录D）分度表，得到EAB（30℃,0℃）=1.203mV。根据式（9-6）有EAB（t,0℃）=EAB（t,30℃）+EAB（30℃,0=（38.505+1.203）mV=39.708mV反查K型热电的偶分度表，得到t=960℃该方法适用于热电偶冷端温度较恒定的情况。在智能化仪表中，查表及运算过程均可由计算机完成。三、仪表机械零点调整法当热电偶与动圈式仪表配套使用时，若热电偶的冷端温度比较恒定，对测量准确度要求又不太高时，可将动圈仪表的机械零点调整至热电偶冷端所处的t0处，这相当于在输入热电偶的热电势前就给仪表输入一个热电势E（t0,0℃）。这样，仪表在使用时所指示的值约为E（t,t0）+E（t0,0四、半导体集成温度传感器及热电偶冷端温度的测量在计算修正法中，首先必须测出冷端温度，才有可能进行计算修正。玻璃温度计无法适应计算机自动检测的要求。若使用铜热电阻测量，则需要较精密的桥路激励电源，而且温度与输出电压的标定也较复杂。现在普遍使用半导体集成温度传感器来测量室温。它具有体积小、集成度高、准确度高、线性好、输出信号大、无需冷端补偿、不需要进行温度标定、热容量小、外围电路简单等优点。只要将它置于热电偶冷端附近，将该传感器的输出电压作简单的换算，就能得到热电偶的冷端温度，从而用计算修正法进行冷端温度补偿。常用的集成温度传感器有：AD590系列电流输出型温度传感器、数字输出型集成温度传感器LM74、专用热电偶冷端温度补偿芯片MAX6675等。提问：补偿导线能够补偿热电偶的冷端温度损失吗？第六节热电偶的应用及配套仪表与热电偶配套的仪表有动圈式仪表及数字式仪表。符合国家标准的动圈式显示仪表命名为XC系列。按其功能有指示型（XCZ）和指示调节型（XCT）等系列品种[20]。与K型热电偶配套的动圈仪表型号为XCZ系列及XCT系列。与热电偶配套的数字式仪表按其功能也有指示型XMZ系列和指示调节型XMT系列品种[21]。XMT系列仪表是有调节、报警功能的数字式指示-调节型仪表，适用于热工、电力、化工等工业系统测量、显示、PID控制温度。其面板上设置有温度设定按键。当被测温度高于设定温度时，仪表内部的继电器动作，可以切断加热回路，还能输出固态继电器的触发信号。这类仪表多具有以下功能：（1）双屏显示主屏显示测量值，副屏显示控制设定值。（2）输入分度号切换仪表的输入分度号可按键切换（如K、R、S、B、N、E型等）。（3）量程设定测量量程和显示分辨力由按键设定。（4）控制设定上限、下限或“上上限”“下下限”等各控制点值可在全量程范围内设定，上下限控制回差值也可分别设定。（5）继电器功能设定内部的数个继电器可根据需要设定成上限控制（报警）方式或下限控制（报警）方式，有多个报