自动检测与转换技术6.0

2020/3/21热电偶传感器学习基本要求和重点1、掌握有关热电偶的基本概念2、掌握热电偶的基本工作原理3、掌握热电偶的基本定律、基本类型、温度补偿方法、使用热电偶的测温方法4、会使用分度表2020/3/22热电偶测温的主要优点热电偶测温的主要优点有：1、结构简单，制造容易，属于自发电型传感器测量时不要外加电源，可直接驱动动圈式仪表；2、测量范围广，高温热电偶可达1800C以上，并能保持较高的精度3、适宜做远距离测量，多点测量4、可用于多种场合2020/3/23温度测量的基本概念一、温度（物体的冷热程度）测量的基本概念微观：温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！2020/3/24二、温标温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。2020/3/251：摄氏温标（C）：标准大气压下冰的熔点为0C，水的沸点为100C，若在两固定点间划分100等分，每一等分为摄氏1度，符号为t。2：华氏温标（F）：标准大气压下冰的熔点为32F，水的沸点为212F，若在两固定点间划分180等分，每一等分为华氏1度，符号为θ。θ＝（1.8t+32)3：热力学温标（K）：热力学温标规定分子停止运动时的温度为绝对零度，水的三相点（气、液、固三态同时存在且进入平衡状态时的温度）的温度为273.16K（0.01C），把从绝对零度到水的三相点之间均匀分为273.16格，每格为1K，符号为T。T＝t＋273.152020/3/26几种温标的对比2020/3/27热力学温标（K）热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文（Kelvin）根据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标。它的符号是T，单位是开尔文（K）。威廉·汤姆逊·开尔文勋爵像2020/3/281990国际温标(ITS-90)从1990年1月1日开始在全世界范围内采用1990年国际温标，简称ITS-90。它定义了一系列温度的固定点，测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公式，例如水的三相点为273.16K（0.01C）等。2020/3/29三、温度测量及传感器分类温度传感器按照用途可分为基准温度计和工业温度计；按照测量方法又可分为接触式和非接触式；按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等等；按输出方式分，有自发电型、非电测型等。2020/3/210测温传感器分类及特点2020/3/211测温传感器分类及特点（续）2020/3/212介绍几种温度测量方法示温涂料（变色涂料）装满热水后图案变得清晰可辨2020/3/213变色涂料在电脑内部温度中的示温作用CPU散热风扇低温时显示蓝色温度升高后变为红色2020/3/214体积热膨胀式不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。气体的体积与热力学温度成正比2020/3/215热电偶的工作原理一、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，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。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。2020/3/216热电偶工作原理演示两种不同材料的导体A和B组成的闭合回路，当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势（热电势）。热端冷端2020/3/217热电偶两结点所产生的总的热电势是两个结点的温差Δt的函数fAB为EAB（T，T0）=fAB（Δt）2020/3/218几个概念热电偶（两种不同材料的导体组成的回路）热电极（组成热电偶的导体）热端（测量端或工作端）、冷端（参考端或自由端）AB()ABeT0()ABeT0(,)AeTT0(,)BeTTT0T2020/3/219接触电动势含义：由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。AB＋＋＋－－－ABnn()ABET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。两接点的接触电动势分别表示为eAB(T)和eAB（T0）2020/3/220温差电动势同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。机理：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。表示为eA(T,T0)、eB(T,T0)2020/3/221热电偶回路中产生的总热电势eAB(T,T0)=eAB(T)＋eB(T,T0)－eAB(T0)－eA(T,T0)AB()ABeT0()ABeT0(,)AeTT0(,)BeTTT0T忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为：eAB(T,T0)=eAB(T)－eAB(T0)2020/3/222影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关两热电极相同时，总电动势为0两接点温度相同时，总电动势为0对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB(T0)=c为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即eAB(T,T0)=eAB(T)－c=f(T)可见：只要测出eAB（T,T0）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。2020/3/223热电偶的分度表不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表。供查阅使用，每10℃分档。中间值按内插法计算。2020/3/224二、中间导体定律在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，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。ABt0t0tCABT0tCB1t1t（a)（b)C0AB00(,)()()(,)ABABABEttEtEtEtt应用：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。2020/3/225测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路tABt0t0CCBt1t1AACCtt0(a)(b)2020/3/226三、中间温度定律在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势eAB(t,t0)等于热电偶AB在接点温度t、tc和tc、t0时的热电势eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)的代数和，即eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)2020/3/227tt0ABtctc)(AA)(BB中间温度定律2020/3/228中间温度定律的应用根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体A′和B′，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。•该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质,可对参考端温度不为0℃的热电势进行修正。2020/3/229例：用镍铬-镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度t0=30℃，测得热电势eAB（t，t0）为33.29mV,求加热炉温度。eAB（t，0）=eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV由镍铬-镍硅热电偶分度表得t=829.8℃。解：查镍铬-镍硅热电偶分度表eAB（30，0）可得1.203mV。2020/3/230第三节热电偶的种类及结构八种国际通用热电偶：铂铑30—铂铑6(B)铂铑13—铂(R)铂铑10—铂(S)镍铬—镍硅(K)镍铬硅—镍硅(N)镍铬—铜镍(E)铁—铜镍(J)铜—铜镍(T)各种铂热电偶丝2020/3/231几种常用热电偶的热电极分度号正极Grade负极GradeN镍铬硅Ni-Cr-Si镍硅Ni-SiK镍铬Ni-Cr镍铬(铝)Ni-Cr(AI)E镍铬Ni-Cr铜镍(康铜)Cu-Ni(Constantan)J铁Fe铜镍(康铜)Cu-Ni(Constantan)2020/3/232几种常用热电偶的热电极（续）分度号正极Grade负极GradeT铜Cu铜镍(康铜)Cu-Ni(Constantan)S铂铑Pt（Rh10）铂PtR铂铑Pt（Rh13）铂PtB铂铑Pt（Rh30）铂Pt（Rh10）2020/3/233几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线哪一种热电偶灵敏度较高？哪一种热电偶灵敏度较低？2020/3/234热电偶的结构形式为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构形式有：装配型热电偶铠装型热电偶薄膜型热电偶2020/3/235普通装配型热电偶结构接线盒热电极热端绝缘管保护管用于测量气体、蒸气和液体等介质的温度2020/3/236普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰2020/3/237普通装配型热电偶的结构形式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2020/3/238铠装型热电偶把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、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、规格的铠装偶体，再截取适当长度、焊接工作端、配置接线盒之后即为铠装热电偶。铠装热电偶内部的热电偶丝被高温绝缘材料紧密地包裹着，与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长，热响应时间短，灵敏度高等优点。2020/3/239接线盒固定装置B-B金属导管绝缘材料热电极A放大ABB优点：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上。2020/3/240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2020/3/241薄膜热电偶工作端绝缘基板热电极接头夹具引出导线特点：热接点可以做得很小（μm），具有热容量小、反应速度快（μs）等特点，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。2020/3/242小形K型热电偶2020/3/243隔爆型热电偶工业用的隔爆型热电偶作为一种温度传感器，在化学工业自控系统中应用极为广泛。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，因而在这些环境下必须使用隔爆热电偶。隔爆热电偶的结构与装配式热电偶的结构、原理基本相同，不同的是隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，它的接线盒是经过压铸而成的，有一定的厚度、隔爆空间和机构强度，采用螺纹隔爆接合面和园筒接合面，采用密封圈进行密封，以锁紧螺钉进行锁紧，因此，当接线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。2020/3/244隔爆型热电偶外形厚壁保护管2020/3/245其他热电偶外形2020/3/246热电偶冷端的延长热电偶一般做得较短，一般为350～2000mm，冷端温度将直接受到被测温度和周围环境的影响，造成测量误差。在实际测温时，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t0比较稳定。显示仪表tABA’B’0t冷端2020/3/247工程中采用一种补偿导线。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。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。显示仪表tABA’B’0t冷端要求：eAB(t,t0)=eA’B’(t,t0)2020/3/248补偿导线型号型号补偿导线正-负配用热电偶正-负导线外皮颜色正-负SC铜－铜镍铂铑10-铂红-绿KC铜－康铜镍铬-镍硅红-蓝WC5/26铜－铜镍钨铼5-钨铼26红-橙2020/3/249补偿导线型号（续）型号配用热电偶正-负导线外皮颜色正-负RCR红-绿NCN红