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第七章 热电偶传感器 - PowerPoint PPT Presentation


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电气信息学院. 第七章 热电偶传感器. 介绍: 热电偶属电量传感器 ( 将非电量转换为电量 T —— mV) ,有源传感器。 一 . 热电偶测温的基本原理 1 、热电效应: 将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路 , 如果将两个接点分别置于温度各为 T 及 T O ( T>T O )的热源中,则在该回路内就会产生热电动势(接触电势和温差电势)。. T>T O. 热端. 冷端. 2 、接触热电势. 由于两种材料电子密度不同(如 N A >N B ),其电子在两个方向上的扩散速度就不同,在 A 、 B 的接触面上便形成了一个从 A 到 B 的静电场 E 。

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Presentation Transcript

电气信息学院

第七章

热电偶传感器


介绍:

热电偶属电量传感器(将非电量转换为电量T——mV) ,有源传感器。

一.热电偶测温的基本原理

1、热电效应:将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路,如果将两个接点分别置于温度各为T及TO (T>TO)的热源中,则在该回路内就会产生热电动势(接触电势和温差电势)。

T>TO

热端

冷端


2、接触热电势

由于两种材料电子密度不同(如NA>NB),其电子在两个方向上的扩散速度就不同,在A、B的接触面上便形成了一个从A到B的静电场E。

静电场E的大小取决于A、B的性质(电子密度)及接触点的温度,而与其形状尺寸无关。

热端从A扩散到B的电子数目多,冷端少。因此:

>

e

E

NA>NB


3、 温差电动势

E

温差电动势是在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势.高温侧电子受热能运动加剧失去电子而带正电,低温侧得到电子带负电,形成一个从高温侧到低温侧的静电场。


4、回路总电势:

A

B


由于接触电势远大于温差电势,忽略温差电势后有:由于接触电势远大于温差电势,忽略温差电势后有:

5、结论:回路总电势与NA 、NB和T、TO有关,当材料一定时, 成为T、TO的函数。

固定T0后有:

回路总电势为T的单值函数。


由于接触电势远大于温差电势,忽略温差电势后有:. 热电偶的几点结论:

1、若组成热电偶回路的两种导体相同(均质导体),则无论两接点温度如何,热电偶回路内的总电动势为零。

2、如热电偶两接点温度相同,即T=T0,尽管导体A、B的材料不同,热电偶回路内的总热电动势为零。

3、热电偶AB的热电动势与A、B材料的中间温度无关,只与接触点温度有关。


三、热电偶的重要定律:由于接触电势远大于温差电势,忽略温差电势后有:

1.中间温度定律:

热电偶AB在接点温度为T1、T3 时的热电动势,等于热电偶在接点温度为T1、T2和T2、T3时的热电动势总和。

A

B


2.由于接触电势远大于温差电势,忽略温差电势后有:中间导体定律:

在热电偶回路中接入第三种材料的导体,只要这第三种材料的导体两端温度相同,第三种材料导线的引入不会影响热电偶的热电动势,这一性质称为中间温度定律。

A

A

t2

mV

C

t1

B

t2

C

B


3.由于接触电势远大于温差电势,忽略温差电势后有:标准电极定律:

当温度为T1、T2时,用导体A、B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和。

EAB(T1,T2)=EAC( T1,T2) +ECB( T1,T2)

EAB(T1,T2)=EAC( T1,T2) -EBC( T1,T2)

T1

T1

T1

A

B

A

C

C

B

T2

T2

T2

导体C称为标准电极(一般由铂组成),故把这一性质称为标准电极定律。


由于接触电势远大于温差电势,忽略温差电势后有:

求:镍铬和考铜热电偶的热电动势

100℃

100℃

100℃

T1

T1

2.95mV

4.0mV

A

A

C

C

B

B

纯铂

T2

T2

T2

镍铬合金

考铜

镍铬

考铜

解:

EAB(T1,T2)=EAC( T1,T2) -EBC( T1,T2)

EAB( T1,T2) =2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV


四、热电偶的种类由于接触电势远大于温差电势,忽略温差电势后有:

1. 标准型热电偶

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。


热电偶类别由于接触电势远大于温差电势,忽略温差电势后有:

代号

分度号

测温

范围

允许误差

铂铑30-铂铑6

WRR

LL-2

或B

0~1800℃

≤800℃,±4.0℃

>800℃

±0.5%t

铂铑10-铂

WRP

LB-3

或S

0~1600℃

≤600℃,±3.0℃

>600℃

±0.5%t

镍铬-镍硅

WRN

EU-2

或K

0~1300℃

≤400℃,±3.0℃

>400℃

±0.75%t

镍铬-考铜镍铬-铜镍

WRKWRE

EA-2

或E

0~800℃0~1000℃

≤300℃,±3.0℃

>300℃

±1.0%t

几种常用热电偶的测温范围及精确度


五、常用热电偶由于接触电势远大于温差电势,忽略温差电势后有:

分度号

铂铑铂(S/R)

温度范围最广,3000C以上精度最高

铜康铜(T)

在-160~2500C精度最高

镍铬镍硅/铝(K)

在廉金属中上限温度最高

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热电偶丝由于接触电势远大于温差电势,忽略温差电势后有:

保险套管

接线盒

绝缘套管

1 普通工业用装配式热电偶

工业用装配式热电偶结构示意图


1由于接触电势远大于温差电势,忽略温差电势后有:

2

3

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。

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

(b)绝缘式

(a)接壳式

接壳式与绝缘式热电偶断面结构示意图



4

1

3

2

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(0.01~0.lμm) .

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 60×6×0.2mm; 测温范围在300℃以下;反应时间仅为几ms。

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


热电偶 铜―康热电偶分度(自由端温度0℃)


六、 热电偶的冷端补偿方法

1、 提供冷端

铜导线

A

T

B

mV

试管

仪表

热电偶

铜导线

冰点槽

T0

冰水溶液

冰点槽法


n 增大时电势减小

2、(冷端恒温法)

当冷端不为 时但稳定时,查表补偿

例如:E型实际温度300度,环境温度30度时,问仪表显示的温度值是多少?

当冷端 为 仪表显示?

查:

则:


当冷端 为 仪表显示 280度

当冷端不为 时但稳定时,查表补偿

例如:E型显示温度280度,环境温度30度时,问测温端实际的温度值是多少?

查:

查表

则:

实际温度查表


六、 热电偶的冷端补偿方法

1、 提供冷端

铜导线

A

补偿导线

T

B

补偿导线

mV

试管

仪表

热电偶

铜导线

冰点槽

T0

冰水溶液

冰点槽法


3 、冷端变化时,加补偿导线(用廉金属替代贵金属,将冷端延长到控制室)

不论 如何变化,只要 不变

则 即不变

但两种材料的热电特性一定要相同


电桥补偿(又称冷端补偿器)法

回路输出电压为:

U= E(T,T0)+(UT-U3)

RS

R2

R1

A

只要能满足下式即可达到自动补偿的目的

B

I1

I2

E

Rcu

R3

U

T0

T0

+

T

补偿电桥


作业

1、试比较热电阻、热敏电阻、热电偶三种测温传感器的特点及其对测温电路的要求。

2、如粮仓测温(每0.5米装一个温度传感器,共须20个),选择何种温度传感器?


补充:

集成温度传感器:

80年代出,线性好,灵敏,精度适中

电流型: 1μA/0K ;电压型: 1μV/0K

LM134: 电流型 1μA/0K -55~1250C

集成温度传感器用于冷端补偿电路


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