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sunbet传感器与检测技术 教学课件 ppt 作者 魏

发布日期:2020-07-04 23:11

  传感器与检测技术 教学课件 ppt 作者 魏学业 第4章 热电偶传感器

  热电偶传感器热电偶传感器是将被测温度转换为毫伏级热电动势信号输 出,它是一种有源传感器。它通过连接导线与显示仪表相 连组成测温系统,实现远距离温度自动测量,主要在高温 测量中应用。 热电偶的主要特点: (1)测温范围宽,它可以测量自-270到2800,甚至更 广的范围; (2)性能稳定、准确可靠,测量精度高; (3)制造方便、热惯性小、sunbet。准确度高、输出信号便于远传。 4.1 基本原理 热电偶测温是基于热电效应原理,热电效应的基本原理是:两种 不同材料的导体(或半导体)紧密结合,组成一个闭合回路,当 两接点温度T和To不同时,则在该回路中就会产生电动势的现象。 其电动势由接触电势(珀尔帖电势)和温差电势(汤姆逊电势) 两部分组成。如图所示的回路中,导体A或B称为热电偶的热电 极或热偶丝。热电偶有两个接点,置于温度T的接点称为热端 (测量端或工作端),而温度为 的另一接点称为冷端(参考端或 自由端)。 参考端测量端 图4-1 4.1 基本原理 接触电动势当两种金属接触在一起时,由于不同导体的自由电子密度不同, 在结点处就会发生电子迁移扩散。失去自由电子的金属呈正 电位,得到自由电子的金属呈负电位。如图所示。当扩散达 到平衡时,在两种金属的接触处形成电势,称为接触电势。 接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点 的温度。在温度为T时,两接点的接触电动势 可表示为: 4.1.1 热电势 lnln 图4-24.1 基本原理 温差电动势对于单金属,如两端的温度不同,同一导体的两端会产生一种电 动势称为温差电势。原理是高温端的电子能量要比低温端的电子 能量大,从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的 要多,结果高温端因失去电子而带正电,低温端因获得多余的电 子而带负电,在导体两端便形成温差电动势。其大小与金属材料 的性质和两端的温差有关,温差电势可表示为: 4.1.1 热电势 dT由A、B两种导体构成的闭合回路,总的 温差电势为: 图4-34.1 基本原理 总电势热电偶回路中产生的总热电势是由接触电势和温差电势组成,有: 4.1.1 热电势 ABAB AB ABAB AB 4.1基本原理 总电势由接触电势和温差电势的公式,可以得出如下结论: ,虽然两端温度不同,但闭合回路的总热电势仍为零。因此,热电偶必 须用两种不同材料做电极; ,闭合回路中也不产生热电势。对于已选定的热电偶,当参考端温度To 恒定时, 为常数, 则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系,即: 4.1.1 热电势 由此可见:只要测出的大小,就能得到被测温度T, 这就是利用热电偶测温的原理 4.1基本原理 4.热电偶的分度表 目前用于不同用途的热电偶材料已经有很多种,但其中应用广泛 的不过几种类型。它们已经形成了标准化热电偶。 标准化热电偶按IEC国际标准生产。热电偶的分度号主要有S、R、 属于贵金属热电偶,N、K、E、J、T是由镍、铬、硅等金属的合金制成,属于廉金属热电偶。 4.1.1 热电势 4.1基本原理 5.热电偶的特点 (1)温度测量范围宽 常用的热电偶从-50~1600均可连续测量,某些特殊热电偶最低 可测到-270(如金铁镍铬),最高可达2800(如钨-铼)。 (2)精度高、性能稳定 因热电偶直接与被测对象接触,不受中间介质的影响。所以热电 偶可以实现较高精度的温度测量。 (3)构造简单,使用方便 热电偶通常是由两种不同的金属丝组成,而且不受金属丝尺寸的 限制,外有保护套管,用起来非常方便。测量时不需要外加电源, 直接将被测量转换成电势输出。 (4)可以远程测量 热电偶是将温度信号转换为电压信号,所以可以实现信号的远 距离传输,可以对信号放大和转换,这在实际应用中是很重要的。 4.1.1 热电势 4.1基本原理 原理性的热电偶是由两种材料组成的闭合回路,但在实际 应用中,需要引入测量电动势的仪表,并将仪表引到较远 的位置,这就需要通过以下几个定律实现实际的应用。又 由于测量的温度值是测量端和自由端的温度差,在计算测 量端温度时,需要考虑自由端相应的热电势值。 4.1.2 热电偶基本定律 4.1基本原理 中间导体定律设在热电偶测温回路内,在图4-1的 To处断开,接入第三 种导体C,接入第三种导体,只要第三种导体的两端温度 相同,则对回路的总热电势没有影响,如图4-4所示。 4.1.2 热电偶基本定律 图4-44.1 基本原理 中间温度定律4.1.2 热电偶基本定律 时的热电势等于该热电偶在结点温为T、 ABAB 4.1基本原理 标准电极定律4.1.2 热电偶基本定律 如图7‐5所示,当温度为T、 时,用导体A、B组成的热电偶 的热电动势等于: ABAC CB 导体C称为标准导体,故把这一定律称为标准导体定律。 标准导体定律的意义在于:通常选 用高纯铂丝作标准电极,只要测得 它与各种金属组成的热电偶的热电 动势,则各种金属间相互组合成热 电偶的热电动势就可根据标准电极 定律计算出来 4.1 基本原理 均质导体定律由两种均质导体组成的热电偶,其热电动势的大小只与两 材料及两接点温度有关,与热电偶的大小尺寸、形状及沿 电极各处的温度分布无关。即热电偶必须由两种不同性质 的均质材料构成。利用这一定律有助于检验两个热电极材 料成分是否相同及材料的均匀性。 4.1.2 热电偶基本定律 4.2冷端补偿原理 热电偶的热电势大小不仅与热端的温度有关,而且也与冷 端温度有关,只有当冷端温度恒定,通过测量热电势的大小才 可得到热端的温度。当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时, 必须首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方,再 考虑将冷端处理为0。 当热端温度为T时,分度表所对应的热电势 与热电 偶实际产生的热电势 之间的关系可根据中间温度定律 得到下式: 由此可见, 是冷端温度 的电动势,因此需要对热电 偶冷端温度进行处理。 ABAB AB 4.2冷端补偿原理 工业现场测温时,由于热电偶的长度有限,一般为350~ 2000mm。冷端温度直接受到被测介质和周围环境的影响,不 仅很难保持在0,而且经常波动,因此需要采用冷端延长线 (或称冷端补偿导线)进行补偿。需要把热电偶输出的电势信 号传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表, 这样冷端温度 才能比较稳定。在0~100温度范围内,要求补 偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。 4.2.1 热电偶补偿导线冷端补偿原理 补偿导线分两种。延长型:导线的化学成分与被补偿的热电偶相同;补偿型:补偿型导线的化学成分与被测热电偶不同。 补偿导线的作用:用廉价的补偿导线作为贵金属热电偶的延长导热电偶的参比端迁移至离被侧对象较远且环境温度较恒 定的地方,有利于参比端温度的修正和导线的节省,以节约 贵金属热电偶;减少测量误差;用粗直径和导电系数大的补 偿导线作为热电偶的延长线,可减小热电偶回路电阻,以利 于动圈式显示仪表的正常工作。 应注意的问题:各种延长线只能与相应型号的热电偶配用,而且必须在规定的温度范围内使用;注意极性的正与负,不 能接反,否则会造成更大的误差;延长线与热电偶连接的两 个接点温度必须相同。 4.2.1 热电偶补偿导线 热电偶类型补偿导 线类型 补偿导线 正极 负极 铜镍合金(镍的质量分数为0.6%) 镍铬-镍硅 镍铬-镍硅II型: 铜-康铜 康铜镍铬-康铜 镍铬- 康铜 镍铬 康铜 铁-康铜 康铜铜-康铜 康铜常用补偿导线 冷端补偿原理 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 不等于 0而引入的误差,由于冰融化较快,所以一般只适用于实验 4.2.2冷端0恒温法 4.2冷端补偿原理 当冷端温度To不等于0,需要对热电偶回路的测量电势值 加以修正。当工作端温度为T时,分度表可查 根据中间温度定律得到4.2.3 冷端温度修正法 ABAB 4.2冷端补偿原理 例4-2用镍铬—镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温 =30,测得热电势为33.29mV,求加热炉温度。 解查镍铬—镍硅热电偶分度表得 =1.203 mV, 可得 =33.29+1.203=34.493mV 由镍铬—镍硅热电偶分度表可知,加热炉温度处于820~ 830,利用插值公式: 解得T=829.8。 4.2.3 冷端温度修正法 AB(30, ABAB 83034.502 34.493 830 820 34.502 34.095 4.2冷端补偿原理 自动补偿法也称电桥补偿法,它是在热电偶与仪表间加上 一个补偿电桥,当热电偶冷端温度升高,导致回路总电动势降 低时,这个电桥感受自由端温度的变化,产生一个电位差,数 值刚好与热电偶降低的电动势相同,两者互相补偿。这样,测 量仪表上所测得的电动势将不随自由端温度变化。 4.2.4 冷端温度自动补偿法 4.2冷端补偿原理 4.2.4 冷端温度自动补偿法 如图4-8所示,补偿电桥是一个直流不平衡电桥,它由3个温度系数较小的电阻R1、R2、R3,温度系数较大的电阻和稳压电源 组成。补偿电桥与热电偶参考端处于同一环境温度,设计时使电桥 按等于20(或0)处于平衡状态,此时A、B两端无输出电压。 当环境温度变化时,热电偶冷端温度随之变化,使热电动势发生改 变,此时的阻值也随温度的变化而变化,电桥平衡被破坏,A、B 两端有不平衡电压输出,不平衡电压与热电偶的热电动势叠加在一 起输入测量仪表。适当选取桥臂电阻和桥路电流,就可以使电桥产 生的不平衡电压,正好补偿由于参考端温度变化引起的热电动 势的变化量,从而达到补偿的目的。 Cu 4.2冷端补偿原理 4.2.4 冷端温度自动补偿法 图4-8补偿电桥补偿目标是 AB abCu ab 恒定值4.3 几种测量温度的连接方法 4.3.1 测量某点温度的基本电路 测量某点温度的基本电路,在实际使用时把补偿导线一直延伸到配用仪表的接线端子上。这时,冷端温度即仪表接线端 子所处的环境温度。热电偶在测温时,也可以与温度补偿器 连接,转换成标准电流输出信号。 4.3 几种测量温度的连接方法 4.3.2 测量两点之间的温度差 ABAB AB 如图4-10所示是测量两点之间温度差的测温电路,用两个相同的 热点偶,配以相同的补偿导线, 这种连接方式应使各自产生的热 电动势互相抵消,仪表可以测量 t1和t2之间的温度差。 4.3 几种测量温度的连接方法 4.3.3 测量平均温度的线路 ABAB 输入到仪表两端的毫伏值为3个热电偶输出热电动势的平均 值。若3个热电偶均工作在特性 曲线的线性部分时,则代表了 测量点温度的算术平均值,为 此,每个热电偶需串联较大电 阻。它的特点是仪表的分度仍 就和单独配用一个热电偶时一 4.3几种测量温度的连接方法 4.3.4 测量几点温度之和的线路 ABAB AB 输入到仪表两端的热电动势的总和,可直接从仪表读出各点温度 之和。 优点:获得的热电动势较大, 仪表的灵敏度大大增加,且避免了 热电偶并联线路存在的缺点,可立 即发现有断路。 缺点:只要有一支热电偶断路, 整个测温系统将停止工作。sunbet此外, 应用此电路工作时,每个热电偶引 出的补偿导线还必须回到仪表的冷 端处理。 4.4 热电偶在盐浴炉温控中的应用 盐浴炉一般用于对精密仪器设备或大型设备的关键性部件 进行淬火,常用温度在800~1500之间,对温度控制要求高, 所以,对温度检测要求也高。因此,选用S型铂铑-铂热电偶, 其测温范围为0~1600。 4.4热电偶在盐浴炉温控中的应用 图4-13热电偶温度检测与放大电路4.4 热电偶在盐浴炉温控中的应用 热电偶感应的热电势,先经过自稳零高精度运算放大器 ICL4650,输出电压为 再由第二级运放μA741放大后,输出为 最后,由μA741构成的射极跟随器进行阻抗变换,以实现 阻抗匹配。