第2章 热电偶传感器资料

第2章热电偶传感器2020/2/252一、教学目标（1）了解热电偶的材料、结构和种类。（2）掌握热电偶传感器的工作原理。（3）掌握热电偶的冷端补偿方法。二、教学重点和难点1、重点：热电效应和热电偶的基本定律。2、难点：热电偶冷端补偿的常用方法。三、教学学时6学时怎样监测燃气热水器火焰？温度概述温度：表征物体冷热程度的物理量。温度标准：热力学温度：Tk（开尔文）摄氏温度：t（摄氏度）关系式：0Ct+273.15T温度传感器种类：热电偶传感器热电阻传感器半导体温度传感器考虑因素：温度测量范围，精度，响应时间，稳定性/，线性度，灵敏度等热电偶测温的主要优点1、它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；2、测温范围广：下限可达-270C，上限可达1800C以上；3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。2020/2/257从实验到理论：热电效应1821年，德国物理学家赛贝克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（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说明什么？）。显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。2020/2/258先看一个实验——热电偶工作原理演示2020/2/259结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。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AB2.1热电偶传感器的工作原理2.1.1热电效应热电偶的工作原理是基于物体的热电效应。由两种不同材料的导体A和B组成闭合回路，如图2—1所示。当两个结点温度不同时，回路中将产生电动势。这种现象即称为热电效应或塞贝克效应。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。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。热电势主要由温差电势和接触电势组成。1.温差电势温差电势是由于同一种热电极两端温度不同而产生的一种电势。如果两端温度tt0时，热电极内的自由电子就会从温度高的一端向温度低的一端转移，这样就会有电势的产生。图2-2温差电势的产生原理2.接触电势热电偶回路的总电势主要是由接触电势引起。图2-3接触电势的产生原理两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差Δt的函数：EAB（t，t0）=EAB（t）-EAB（t0）热电势大致与两个结点的温差Δt成正比热电偶产生的热电动势由上式可以得出下列结论：①如果热电偶两电极材料相同，即使两端温度不同(t≠t0），但总输出电动势仍为零。因此必需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,则回路总的热电动势必然等于零.③热电动势的大小只与材料和结点温度有关，与热电偶的尺寸形状无关,温差越大，热电动势越大。2020/2/25142.1.2热电偶的基本定律1.均质导体定律由两种均质导体组成的热电偶，其热电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、电极各处的温度分布无关。如果热电偶回路中的两个热电极的材料相同，不管其是否存在温差，热电偶回路中的热电势均为零(为什么？）；如果热电偶回路中的两个热电极的材料不均匀，则当热电极各处在不同温度时，热电偶回路中将产生附加热电势(为什么？）；，造成测量误差。2.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。这就是中间导体定律。利用热电偶来实际测温时，连接导线、显示仪表和接插件等均可看成是中间导体，只要保证中间导体两端的温度相同，则对热电偶的热电动势没有影响。因此中间导体定律对热电偶的实际应用是非常重要的。图2-5接入中间导体的热电偶回路根据中间导体定律，可以在热电偶回路中接入一个电位计E，只要保证电位计与热电偶连接处结点的温度相等，就不会影响到热电偶回路的总电势。（a）冷端接入电位计（b）热端与冷端之间接入电位计图2-6电位计接入热电偶回路3.中间温度定律在两种不同热电极材料组成的热电偶回路中，如果热端温度为t，冷端温度为t0，中间温度为tn，则热电偶回路的总电势等于t与tn热电势和tn与t0热电势的代数和，即AB0ABnABn0(,)(,)(,)EttEttEtt4.参考电极定律如图7-7所示，当热电偶的热端温度为t，冷端温度为t0时，用热电极A和热电极B组成的热电偶回路的总电势等于热电偶AC的热电势和热电偶CB的热电势的代数和，即AB0AC0CB0(,)(,)(,)EttEttEtt图2-7接入标准电极的热电偶回路2.2.1热电偶的结构及种类1.装配式热电偶图2-8装配式热电偶的结构示意图1—接线柱；2—接线座；3—绝缘套管；4—热电极2.2热电偶的材料、结构及种类普通装配型热电偶的外形2020/2/2521安装螺纹安装法兰普通装配型热电偶的结构放大图接线盒2020/2/2522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.铠装式热电偶(a)碰底型(b)不碰底型(c)露头型(d)帽型图2-9铠装式热电偶断面的结构示意图1—金属套管；2—绝缘材料；3—热电极铠装型热电偶外形法兰2020/2/2524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3.快速反应薄膜热电偶图2-10快速反应薄膜热电偶的结构示意图1—热电极；2—热端结点；3—绝缘基板；4—引出线快速反应薄膜热电偶其他热电偶外形2020/2/2527小形K型热电偶八种国际通用热电偶：B:铂铑30—铂铑6、R:铂铑13—铂、S:铂铑10—铂、K:镍铬—镍硅、N:镍铬硅—镍硅、E:镍铬—铜镍、J:铁—铜镍、T:铜—铜镍28用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝2.2.2热电偶的材料名称分度号测温范围/℃100℃时热电势/mV1000℃时的热电势/mV特点铂铑30-铂铑B50～18200.0334.834熔点高，测温上限高，性能稳定，准确度高，价格昂贵，热电势小，线性差，只适用于高温域的测量铂铑13-铂R－50～17680.64710.506测温上限较高，准确度高，性能稳定，复现性好，热电势较小，不能在金属蒸汽和还原性气体中使用，在高温下连续使用时其特性会逐渐变坏，价格昂贵，多用于精密测量铂铑10-铂S－50～17680.6469.587测温上限较高，准确度高，性能稳定，复现性好，热电势较小，不能在金属蒸汽和还原性气体中使用，在高温下连续使用时其特性会逐渐变坏，价格昂贵，但性能不如R型热电偶，曾经作为国际温标的法定标准电极镍铬-镍硅K－270～13704.09641.276热电势大，线性好，稳定性好，价格低廉，材质较硬，在高于1000℃时长期使用会引起热电势漂移，多用于工业测量镍铬硅-镍硅N－270～13002.77436.256一种新型热电偶，各项性能均比K型热电偶好，适用于工业测量镍铬-康铜E－270～8006.31976.373热电势比K型热电偶高一倍左右，线性好，耐高湿度，价格低廉，但不能用于还原性气体，多用于工业测量铁-康铜J－210～7605.26957.953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-康铜T－270～4004.279－价格低廉，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，可作为－200～0℃温域的计量标准2.3热电偶的冷端补偿必要性：1、用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足t0=0C的条件。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C，而且也不恒定，因此将产生误差。2、一般情况下，冷端温度均高于0C，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失。•2.3.1补偿导线法图2-11补偿导线法的接线图采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。2020/2/2532补偿导线在0～100C范围内的热电势与配套的热电偶的热电势相等，所以不影响测量精度。型号配用热电偶正—负导线外皮颜色正—负100℃时的热电势/mVRC铂铑13-铂红—绿0.647NC镍铬硅-镍硅红—黄2.744EX镍铬-康铜红—棕6.319JX铁-康铜红—紫5.264TX铜-康铜红—白4.279使用补偿导线注意问题：1.只能用在规定的温度范围（0——1000C）。2.热电偶与补偿导线的两个接点处温度要保持相同。3.不同型号的热电偶使用不同的补偿导线。4.补偿导线正负极需与热电偶正负极正确连接。5.补偿导线的作用是将冷端延长。2.3.2冷端恒温法冷端恒温法常用在以下三种情况中：（1）将热电偶的冷端置于放有冰水混合物的冰瓶中，使冷端温度保持0℃不变的方法称为冰浴法，如图7-12所示。采用这种方法可以消除冷端温度t0不等于0℃而引起的误差。由于冰融化比较快，因而一般只适合在实验室中使用。（2）将热电偶的冷端置于电热恒温器中，恒温器的温度要略高于环境温度的上限。（3）将热电偶的冷端置于恒温的空调房间中，使冷端温度保持恒定。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2020/2/2535冰浴法2020/2/2536在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在0C不变。2.3.3计算修正法当热电偶的冷端温度t00C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C时所测得的热电势EAB（t，0C）不等。若冷端温度高于0C，则EAB（t，t0）EAB（t，0C）。可以利用下式计算并修正测量误差：EAB（t，0C）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0C）2020/2/2537例2-1用镍铬-镍硅（K型）热电偶测炉温时，冷端温度t0=30℃，用测温毫伏表测得的热电势EAB（t，30℃）=38.505mV，试求炉温。解：查表2-3得EAB（30℃，0℃）=1.203mV。根据式（2-4）可得EAB（t，0℃）=EAB（t，30℃）+EAB（30℃，0℃）=（38.505+1.203）mV=39.708mV查表2-3，得到t=960℃。XT-WBC热电偶冷端补偿器2.3.4电桥补偿法2020/2/2539电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。图2-13电桥补偿法的接线图应用---燃气热水器火焰监测燃气热水器防熄火，防缺氧示意图休息一下42