《热电偶传感器》PPT课件.ppt

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1、学习目标与任务 1.了解温度测量的基本概念和方法；2.了解热电偶的工作原理与结构类型；3.掌握热电偶的型号构成及选用方法；4.学会用其进行温度测量；5.了解常见热电偶测温系统的组成与功能；,第五章 热电偶传感器,第一节 温度测量的基本概念,一、温度测量的基本概念 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！,低温,高温,二、温标,1、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。2、国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、

2、热力学温标等。,课本 P213定义,第一节 温度测量的基本概念,几种温标的对比,正常体温为37 C，相当于华氏温度多少度？,二、温标,第一节 温度测量的基本概念,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,二、温标,第一节 温度测量的基本概念,1990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

3、为273.16K（0.01C）等。,二、温标,第一节 温度测量的基本概念,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。,三、温度测量及传感器分类,第一节 温度测量的基本概念,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,三、温度测量及传感器分类,第一节 温度测量的基本概念,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,三、温度测量及传感器分类,第一节 温度测量的基本概念,不需要电源，耐用；但感温部件体积较

4、大。,气体的体积与热力学温度成正比,介绍几种温度测量方法,体积热膨胀式,三、温度测量及传感器分类,第一节 温度测量的基本概念,介绍几种温度测量方法,红外温度计,三、温度测量及传感器分类,第一节 温度测量的基本概念,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-270C，上限可达1800C以上；3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。,三、温度测量及传感器分类,第一节 温度测量的基本概念,热电极A,右端称为：自由端（参考端、冷端）,第二节 热电偶的工作原理,左端称为：测量端（工作端、热端）,热电极B,热电势,A,

5、B,先看一个实验热电偶工作原理演示,结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。,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（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。,从实验到理论：热电效应,第二节 热电偶的工作原理,一、热电效应,自由电子,A,B,eAB（T）,T,结点产生热电势的微观解释及图形符号,两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由

6、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。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。,从实验到理论：热电效应,第二节 热电偶的工作原理,一、热电效应,热电效应的定义：将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。,第二节 热电偶的工作原理,一、热电效应,k玻耳兹曼常数，e电子电荷量，T接触处的温度，NA，NB分别为导体A和B的自由电子密度。,接触电动势,不同材料之间:节点处电子的扩散所致,第二节 热电偶的工作原理,二、热电势（接触电动势

7、和温差电动势）,温差电动势,A，B汤姆逊温度系数。,同种材料：两端温度不同电子运动速度不同,回路中总电动势：,第二节 热电偶的工作原理,二、热电势（接触电动势和温差电动势）,2)中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。,1)均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。,第二节 热电偶的工作原理,三、热电偶测温基本定律,3)参考电极定律 两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得：,4)中间温

8、度定律 热电偶在两接点温度t、t0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为t、tn和tn、t0时的相应热电动势的代数和。中间温度定律可以用下式表示：,中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。,第二节 热电偶的工作原理,三、热电偶测温基本定律,根据金属的热电效应原理，任意两种不同材料的导体都可以作为热电极组成热电偶。,在实际应用中，用作热电极的材料应具备如下几方面的条件：,(1)温度测量范围广；,(2)性能稳定；,(3)物理化学性能好；,第三节 热电偶的材料、结构及种类,1、热电偶的材料,1）普通工业装配式热电偶的结构,热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等几个主要部分组成。,2、热电偶

9、的结构,第三节 热电偶的材料、结构及种类,2）铠装热电偶的结构,2、热电偶的结构,铠装热电偶的制造工艺：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、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、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、超长等优点。,第三节 热电偶的材料、结构及种类,铠装热电偶结构,铠装型热电偶外形,法兰,铠装型热电偶可 长达上百米,薄

10、壁金属 保护套管（铠体）,铠装型热电偶横截面,2、热电偶的结构,3）隔爆型热电偶,结构特点：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，机构强度较高；采用螺纹隔爆接合面，并采用密封圈进行密封，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。使用场合：工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业自控系统中（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）。,第三节 热电偶的材料、结构及种类,隔爆型热电偶外形,厚壁保护管,压铸的接线盒,电缆线,其他

11、热电偶外形,小形K型热电偶,1）标准型热电偶,2）非标准型热电偶 非标准型热电偶包括铂铑系、铱铑系及钨铼系热电偶等。,主要有：铂铑30-铂铑6热电偶，分度号“B”；铂铑10-铂热电偶，分度号“S”；镍铬-镍硅热电偶，分度号“K”；镍铬-康铜热电偶，分度号“E”；铁-康铜热电偶，分度号“J”；铜-康铜热电偶，分度号“T”。,第三节 热电偶的材料、结构及种类,3、热电偶的种类,K热电偶的分度表,比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？,设冷端为0C，根据以下电路中的毫伏表的示值及K热电偶的分度表，查出热端的温度tx。,如何由热电偶的热电势查热端温度值,4.型号表示,第三节 热电偶的材料、结构

12、及种类,5、冷端补偿,由于热电偶产生的电势与两端温度有关，只有将冷端温度保持恒定才能使热电势正确反映热端的被测温度。由于很难保证冷端温度在恒定0故常采取一些冷端补偿措施，主要有：冷端恒温法、补偿导线法、计算修正法、桥补偿法等几种。,第三节 热电偶的材料、结构及种类,5、冷端补偿（冷端恒温法、补偿导线法、计算修正法 和电桥补偿法）,冷端恒温法0恒温器 将热电偶的冷端置于温度为0的恒温器内。用于实验室或精密的温度测量。（冰浴法）其他恒温器 将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使之保持温度恒定，避免由于环境温度的波动而引入误差。这类恒温器的温度不为0，需对热电偶进行冷端温度修正。,冰浴法接线图,1被测流

13、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,补偿导线法 由于受到材料价格的限制不可能做很长，而要使其冷端不受测温对象的温度影响，必须使冷端远离温度对象，采用补偿导线可以做到这一点。所谓补偿导线，实际上是一对材料化学成分不同的导线，在0150温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，但价格相对要便宜。,补偿导线在0150C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。,第三节 热电偶的材料、结构及种类,5、冷端补偿（冷端恒温法、补偿导线法、计算修正法 和电桥补偿法）,第三节 热电偶的材料、结构及种类,5、冷端补偿（冷端

14、恒温法、补偿导线法、计算修正法 和电桥补偿法）,补偿导线法 实质是相当于将热电极延长。根据中间温度定律，只要热电偶和补偿导线的二个接点温度一致，是不会影响热电动势输出的。下面以炉温测量为例说明补偿导线的作用。如采用镍铬-镍硅热电偶测炉温，热端为800，冷端为50，仪表室为20。先分别查表得：E（800,0）=33.277mV、E(50,0)=2.022mV、E(20,0)=0.798mV。则不补偿时输入仪表的热电势为：E(800,50)=33.277-2.022=31.255mV（相当于751），采用补偿导线后则为：E(800,20)=33.277-0.798=32.479mV（相当于781）

15、，,第三节 热电偶的材料、结构及种类,5、冷端补偿（冷端恒温法、补偿导线法、计算修正法 和电桥补偿法）,计算修正法 测量值再加上冷端温度到0 的热电势，现可利用计算机进行自动计算补偿。例用型热电偶测温度，冷端为40，测得的热电势为29.188(mV)，求被测温度T。解：已知 e(t,40)=29.188(mV)查 E(40,0)=1.611(mV)故 E(t,0)=29.188+1.611=30.799(mV)查K型分度表得：T=740,第三节 热电偶的材料、结构及种类,5、冷端补偿（冷端恒温法、补偿导线法、计算修正法 和电桥补偿法）,电桥补偿法热电偶的电势与温度为非线性关系；而电阻与温度的关

16、系是线性的，故是近似关系。补偿原理见下图：图中R1与R2阻值远大于其它电阻，使桥路具有恒流性质，并使I1=I2=0.5mA；,因此，其输出电压：U=e+URCMUR5利用e与URCM的相反变化来补偿热电偶冷端温度的改变，自动补偿的条件为：e=I1RCMt,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。,第三节 热电偶的材料、结构及种类,5、冷端补偿（冷端恒温法、补偿导线法、计算修正法 和电桥补偿法）,电桥补偿法,XT-WBC热电偶 冷端补偿器,第四节 热电偶的应用及配套仪表,由于我国生产的热电偶均符合ITS

17、-90国际温标所规定的标准，其一致性非常好，所以国家又规定了与每一种标准热电偶配套的仪表，它们的显示值为温度，而且均已线性化。国家标准的动圈式显示仪表命名为XC系列。有指示型（XCZ）和指示调节型（XCT）等系列品种。与K型热电偶配套的动圈仪表型号为XCZ-101或XCT-101等。数字式仪表也有指示型（XMZ）和指示调节型（XMT）等几种系列品种。,XCZ系列指针式显示仪表,XC系列动圈式仪表测量机构的核心部件是一个磁电式毫伏计。动圈式仪表与热电偶配套测温时，热电偶、连接导线（补偿导线）、调整电阻和显示仪表组成了一个闭合回路。,1热电偶 2补偿导线 3冷端补偿器 4外接调整电阻 5铜导线 6

18、动圈 7张丝 8磁钢（极靴）9指针 10刻度面板,XMZ系列智能数字显示仪表,特点：1、带冷端温度自动补偿；2、单片机智能化设计，仪表零点、量程等全部参数可按键设定；3、具有软件校验功能，可通过按键对仪表进行校准；4、具有超量程指示、断线指示等故障自诊断功能；5、采用开关电源，电压适应范围宽，仪表体积小、重量轻。6、220VAC或24VDC供电电源。,XMT系列热电偶智能数字显示控制仪表的特点,带冷端温度自动补偿；具有超量程指示、断线指示等故障自诊断功能；双屏显示、副屏显示内容可设定；最多可带4路报警控制继电器输出；每个报警控制点的回差可设定；每个报警控制点的报警方式（上限报警或下限报警）可分

19、别设定。,DDZ型电动单元组合仪表中的变送单元之一：轨装式温度变送器,它能将热电偶（或热电阻）的输入信号线性地转换成与温度成比例的电流（电压）信号，供给显示、控制仪表及计算机集散系统，广泛用于冶金、石油化工、热电站、纺织、造纸等行业的测温控制系统中。,请将右图各有关设备正确地连接起来，组成热电偶测温、控温电路。,黄,绿,红,L1,L2,L3,接大地铜排,接零,热电偶输出端,电炉,如何根据常用电路设备的要求接线,380V线圈的交流接触器连接过程,当温度控制器测得的温度达到设定值时，5-6两端开路，交流接触器失电，电炉回路被切断。,接大地铜排,电炉,接零,“3”端接何处,热电偶,220V线圈的交流

20、接触器连接过程,当温度控制器测得的温度达到设定值时，5-6两端开路，交流接触器失电，电炉回路被切断。,接零,注意：图中还有一根线漏接，请指正！,小结：本次课主要复习了热电偶的原理、种类及其使用中的基本定律，重点介绍了热电偶在使用中的冷端端补偿方法以及在温度检测中的具体应用电路，基本要求：掌握热电偶在实际测温中的应用，会正确选用热电偶并按要求组成一定的测温电路。作业：上网查找5家以上生产热电偶的企业，列出它们所生产的热电偶型号规格，了解其特性和适用范围。,应用实例(补充)盐浴炉温度控制系统用S型热电偶检测温度信号，有冷端补偿，温度信号通过放大、采样保持、模数转换再送单片机保存，采用分段查表法获取

21、各点温度。选用可控硅过零触发自动控制盐浴炉温度，控制周期为2s。可按预设温度曲线进行加热，并可实时显示加温曲线。,1）系统总体方案 本系统采用晶闸管调功实现盐浴炉的温度控制，即通过控制晶闸管导通与关断的周波数比率，从而达到调功的目的。晶闸管的触发由单片机控制，通过单片机编程可方便地实现按预定温度曲线进行加热。,盐浴炉炉温由热电偶感应，通过信号放大、采样保持、A/D转换，再由单片机进行数据处理及线性化校正，以实现盐浴炉实际温度的检测和显示。其系统总体框图如下：,2）温度检测电路 盐浴炉常用温度在8001500之间，热电偶是测温的一次仪表，对它的选择将直接影响检测精度。目前测温常选用K型镍铬-镍硅

22、热电偶，它具有较好的温度-热电势线性度，便于后续数据处理，但它不宜长期在1300左右的高温下使用。因此，这里选用S型铂铑-铂热电偶，其测温范围为01600，它与K型相比，有较高的精度，但它的线性度较差。,为此，采取每10分一段，8001500之间共分70段，在每一段中取各段中点的热电势率K作为各段诸点热电热率的平均值。该近似修正方法误差小，不超过放大电路和A/D转换等环节所产生的误差。热电偶温度检测与放大电路如下图。,其中Vi为热电偶感应的热电势输入，经自稳零高精度运放ICL7650放大后，V01=(R4+R5)*Vi/R4 再由第二级运放A741放大后V02=(R8+R7)(R4+R5)Vi/R4R5 最后，为实现阻抗变换匹配需射极跟随器，也由A741实现。A/D转换选用ADC0809，数字量送单片机，进行数值处理后得实际炉温，送LED显示。,3）过零检测及晶闸管触发电路 本系统采用双向晶闸管，即可控硅作为输出功率控制部件，通过可控硅调压来实现交流调功。触发有两种方法，即移相触发和过零触发。移相触发是通过改变电压调节导通角来实现调压，但改变电压波形。过零触发不改变电压的波形而只改变电压全波通过的次数。过零检测及晶闸管触发电路见下图。,