第九章 熱電式傳感器 電偶.ppt

第九章熱電式傳感器 熱電式傳感器是一種將溫度轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置 常用的裝置有 熱電偶熱電阻晶體管和集成溫度傳感器 溫度傳感器的種類及特點(diǎn) 接觸式溫度傳感器 非接觸式溫度傳感器主要是利用被測(cè)物體熱輻射而發(fā)出紅外線 從而測(cè)量物體的溫度 可進(jìn)行遙測(cè) 其制造成本較高 測(cè)量精度卻較低 優(yōu)點(diǎn)是 不從被測(cè)物體上吸收熱量 不會(huì)干擾被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng) 連續(xù)測(cè)量不會(huì)產(chǎn)生消耗 反應(yīng)快等 接觸式溫度傳感器的特點(diǎn) 傳感器直接與被測(cè)物體接觸進(jìn)行溫度測(cè)量 由于被測(cè)物體的熱量傳遞給傳感器 降低了被測(cè)物體溫度 特別是被測(cè)物體熱容量較小時(shí) 測(cè)量精度較低 因此采用這種方式要測(cè)得物體的真實(shí)溫度的前提條件是被測(cè)物體的熱容量要足夠大 非接觸式溫度傳感器 9 1熱電偶溫差熱電偶 簡(jiǎn)稱熱電偶 是目前溫度測(cè)量中使用最普遍的傳感元件之一 它除具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 測(cè)量范圍寬 準(zhǔn)確度高 熱慣性小 輸出信號(hào)為電信號(hào) 便于遠(yuǎn)傳或信號(hào)轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)外 還能用來(lái)測(cè)量流體的溫度 測(cè)量固體以及固體壁面的溫度 微型熱電偶還可用于快速及動(dòng)態(tài)溫度的測(cè)量 9 1 1熱電偶的工作原理一 熱電效應(yīng) 兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組合成如圖所示閉合回路 若導(dǎo)體A和B的連接處溫度不同 設(shè)T T0 則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生 也就是說(shuō)回路中有電動(dòng)勢(shì)存在 這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng) 這種現(xiàn)象早在1823年首先由賽貝克 See beck 發(fā)現(xiàn) 所以又稱賽貝克效應(yīng) 回路中所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì) 叫熱電勢(shì) 熱電勢(shì)由兩部分組成 即接觸電勢(shì) 珀?duì)柼?yīng) 和溫差電勢(shì) 湯姆孫效應(yīng) 熱端 冷端 1 珀?duì)柼?yīng) 接觸電勢(shì) eAB T 導(dǎo)體A B結(jié)點(diǎn)在溫度T時(shí)形成的接觸電動(dòng)勢(shì) e 單位電荷 e 1 6 10 19C k 波爾茲曼常數(shù) k 1 38 10 23J K NA NB 導(dǎo)體A B在溫度為T時(shí)的電子密度 接觸電勢(shì)的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān) A eA T To To T eA T T0 導(dǎo)體A兩端溫度為T T0時(shí)形成的溫差電動(dòng)勢(shì) T T0 高低端的絕對(duì)溫度 A 湯姆遜系數(shù) 表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1 時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì) 例如在0 時(shí) 銅的 2 V 2 湯姆孫效應(yīng) 溫差電勢(shì) 溫差電勢(shì)原理圖 由導(dǎo)體材料A B組成的閉合回路 其接點(diǎn)溫度分別為T T0 如果T T0 則必存在著兩個(gè)接觸電勢(shì)和兩個(gè)溫差電勢(shì) 回路總電勢(shì) T0 T eAB T eAB T0 eA T T0 eB T T0 A B 3 回路總電勢(shì) NAT NAT0 導(dǎo)體A在結(jié)點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)的電子密度 NBT NBT0 導(dǎo)體B在結(jié)點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)的電子密度 A B 導(dǎo)體A和B的湯姆遜系數(shù) 根據(jù)電磁場(chǎng)理論得 EAB T T0 EAB T EAB T0 f T C g T 由于NA NB是溫度的單值函數(shù) 在工程應(yīng)用中 常用實(shí)驗(yàn)的方法得出溫度與熱電勢(shì)的關(guān)系并做成表格 以供備查 由公式可得 EAB T T0 EAB T EAB T0 EAB T EAB 0 EAB T0 EAB 0 EAB T 0 EAB T0 0 熱電偶的熱電勢(shì) 等于兩端溫度分別為T和零度以及T0和零度的熱電勢(shì)之差 導(dǎo)體材料確定后 熱電勢(shì)的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān) 如果使EAB T0 常數(shù) 則回路熱電勢(shì)EAB T T0 就只與溫度T有關(guān) 而且是T的單值函數(shù) 這就是利用熱電偶測(cè)溫的原理 只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同 熱電偶的兩導(dǎo)體材料不同時(shí)才能有熱電勢(shì)產(chǎn)生 結(jié)論 4點(diǎn) 熱電偶回路熱電勢(shì)只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān) 與熱電偶的長(zhǎng)度 粗細(xì)無(wú)關(guān) 只有用不同性質(zhì)的導(dǎo)體 或半導(dǎo)體 才能組合成熱電偶 相同材料不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì) 因?yàn)楫?dāng)A B兩種導(dǎo)體是同一種材料時(shí) ln NA NB 0 也即EAB T T0 0 對(duì)于有幾種不同材料串聯(lián)組成的閉合回路 接點(diǎn)溫度分別為T1 T2 Tn 冷端溫度為零度的熱電勢(shì) 其熱電勢(shì)為E EAB T1 EBC T2 ENA Tn 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路 不論其導(dǎo)體是否存在溫度梯度 回路中沒(méi)有電流 即不產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) 反之 如果有電流流動(dòng) 此材料則一定是非均質(zhì)的 即熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極 二 熱電偶的基本定律 1 均質(zhì)導(dǎo)體定律 E總 EAB T EBC T ECA T 0 三種不同導(dǎo)體組成的熱電偶回路 2 中間導(dǎo)體定律 一個(gè)由幾種不同導(dǎo)體材料連接成的閉合回路 只要它們彼此連接的接點(diǎn)溫度相同 則此回路各接點(diǎn)產(chǎn)生的熱電勢(shì)的代數(shù)和為零 如圖 由A B C三種材料組成的閉合回路 則 兩點(diǎn)結(jié)論 l 將第三種材料C接入由A B組成的熱電偶回路 如圖 則圖a中的A C接點(diǎn)2與C A的接點(diǎn)3 均處于相同溫度T0之中 此回路的總電勢(shì)不變 即同理 圖b中C A接點(diǎn)2與C B的接點(diǎn)3 同處于溫度T0之中 此回路的電勢(shì)也為 T2 T1 Aa B C 2 3 EABa A T0 2 3 A B EAB T1 T2 C T0 EAB T1 T2 EAB T1 EAB T2 a b T0 T0 EAB T1 T2 EAB T1 EAB T2 第三種材料接入熱電偶回路圖 E T0 T0 T E T0 T1 T1 T 電位計(jì)接入熱電偶回路 根據(jù)上述原理 可以在熱電偶回路中接入電位計(jì)E 只要保證電位計(jì)與連接熱電偶處的接點(diǎn)溫度相等 就不會(huì)影響回路中原來(lái)的熱電勢(shì) 接入的方式見(jiàn)下圖所示 EAB T T0 EAC T T0 ECB T T0 T0 T EBA T T0 B A T0 T EAC T T0 A C T0 T ECB T T0 C B 2 如果任意兩種導(dǎo)體材料的熱電勢(shì)是已知的 它們的冷端和熱端的溫度又分別相等 如圖所示 它們相互間熱電勢(shì)的關(guān)系為 3 中間溫度定律 如果不同的兩種導(dǎo)體材料組成熱電偶回路 其接點(diǎn)溫度分別為T1 T2 如圖所示 時(shí) 則其熱電勢(shì)為EAB T1 T2 當(dāng)接點(diǎn)溫度為T2 T3時(shí) 其熱電勢(shì)為EAB T2 T3 當(dāng)接點(diǎn)溫度為T1 T3時(shí) 其熱電勢(shì)為EAB T1 T3 則 EAB T1 T3 EAB T1 T2 EAB T2 T3 EAB T1 T3 EAB T1 0 EAB 0 T3 EAB T1 0 EAB T3 0 EAB T1 EAB T3 A B T1 T2 T2 A B T0 T0 熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線接線圖 E 對(duì)于冷端溫度不是零度時(shí) 熱電偶如何分度表的問(wèn)題提供了依據(jù) 如當(dāng)T2 0 時(shí) 則 只要T1 T0不變 接入A B 后不管接點(diǎn)溫度T2如何變化 都不影響總熱電勢(shì) 這便是引入補(bǔ)償導(dǎo)線原理 EAB EAB T1 EAB T0 說(shuō)明 當(dāng)在原來(lái)熱電偶回路中分別引入與導(dǎo)體材料A B同樣熱電特性的材料A B 如圖 即引入所謂補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí) 當(dāng)EAA T2 EBB T2 則回路總電動(dòng)勢(shì)為 方法冰點(diǎn)槽法計(jì)算修正法補(bǔ)正系數(shù)法零點(diǎn)遷移法冷端補(bǔ)償器法軟件處理法 三 熱電偶冷端溫度及補(bǔ)償 原因熱電偶熱電勢(shì)的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差 為保證輸出熱電勢(shì)是被測(cè)溫度的單值函數(shù) 必須使冷端溫度保持恒定 熱電偶分度表給出的熱電勢(shì)是以冷端溫度0 為依據(jù) 否則會(huì)產(chǎn)生誤差 1 冰點(diǎn)槽法把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里 使T0 0 這種辦法僅限于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用 為了避免冰水導(dǎo)電引起兩個(gè)連接點(diǎn)短路 必須把連接點(diǎn)分別置于兩個(gè)玻璃試管里 浸入同一冰點(diǎn)槽 使相互絕緣 mV A B A B T C C 儀表 銅導(dǎo)線 試管 補(bǔ)償導(dǎo)線 熱電偶 冰點(diǎn)槽 冰水溶液 T0 2 計(jì)算修正法用普通室溫計(jì)算出參比端實(shí)際溫度TH 利用公式計(jì)算例用銅 康銅熱電偶測(cè)某一溫度T 參比端在室溫環(huán)境TH中 測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)EAB T TH 1 999mV 又用室溫計(jì)測(cè)出TH 21 查此種熱電偶的分度表可知 EAB 21 0 0 832mV 故得EAB T 0 EAB T 21 EAB 21 T0 1 999 0 832 2 831 mV 再次查分度表 與2 831mV對(duì)應(yīng)的熱端溫度T 68 注意 既不能只按1 999mV查表 認(rèn)為T 49 也不能把49 加上21 認(rèn)為T 70 EAB T T0 EAB T TH EAB TH T0 3 補(bǔ)正系數(shù)法把參比端實(shí)際溫度TH乘上系數(shù)k 加到由EAB T TH 查分度表所得的溫度上 成為被測(cè)溫度T 用公式表達(dá)即式中 T 為未知的被測(cè)溫度 T 為參比端在室溫下熱電偶電勢(shì)與分度表上對(duì)應(yīng)的某個(gè)溫度 TH 室溫 k 為補(bǔ)正系數(shù) 其它參數(shù)見(jiàn)下表 例用鉑銠10 鉑熱電偶測(cè)溫 已知冷端溫度TH 35 這時(shí)熱電動(dòng)勢(shì)為11 348mV 查S型熱電偶的分度表 得出與此相應(yīng)的溫度T 1150 再?gòu)南卤碇胁槌?對(duì)應(yīng)于1150 的補(bǔ)正系數(shù)k 0 53 于是 被測(cè)溫度T 1150 0 53 35 1168 3 用這種辦法稍稍簡(jiǎn)單一些 比計(jì)算修正法誤差可能大一點(diǎn) 但誤差不大于0 14 T T kTH 例用動(dòng)圈儀表配合熱電偶測(cè)溫時(shí) 如果把儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)到室溫TH的刻度上 在熱電動(dòng)勢(shì)為零時(shí) 指針指示的溫度值并不是0 而是TH 而熱電偶的冷端溫度已是TH 則只有當(dāng)熱端溫度T TH時(shí) 才能使EAB T TH 0 這樣 指示值就和熱端的實(shí)際溫度一致了 這種辦法非常簡(jiǎn)便 而且一勞永逸 只要冷端溫度總保持在TH不變 指示值就永遠(yuǎn)正確 4 零點(diǎn)遷移法 應(yīng)用領(lǐng)域 如果冷端不是0 但十分穩(wěn)定 如恒溫車間或有空調(diào)的場(chǎng)所 實(shí)質(zhì) 在測(cè)量結(jié)果中人為地加一個(gè)恒定值 因?yàn)槔涠藴囟确€(wěn)定不變 電動(dòng)勢(shì)EAB TH 0 是常數(shù) 利用指示儀表上調(diào)整零點(diǎn)的辦法 加大某個(gè)適當(dāng)?shù)闹刀鴮?shí)現(xiàn)補(bǔ)償 5 冷端補(bǔ)償器法利用不平衡電橋產(chǎn)生熱電勢(shì)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢(shì)的變化值 不平衡電橋由R1 R2 R3 錳銅絲繞制 RCu 銅絲繞制 四個(gè)橋臂和橋路電源組成 設(shè)計(jì)時(shí) 在0 下使電橋平衡 R1 R2 R3 RCu 此時(shí)Uab 0 電橋?qū)x表讀數(shù)無(wú)影響 冷端補(bǔ)償器的作用 注意 橋臂RCu必須和熱電偶的冷端靠近 使處于同一溫度之下 mV EAB T T0 T0 T0 T A B a b U Uab RCu R1 R2 R3 R 供電4V直流 在0 40 或 20 20 的范圍起補(bǔ)償作用 注意 不同材質(zhì)的熱電偶所配的冷端補(bǔ)償器 其中的限流電阻R不一樣 互換時(shí)必須重新調(diào)整 6 軟件處理法對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 不必全靠硬件進(jìn)行熱電偶冷端處理 例如冷端溫度恒定但不為0 的情況 只需在采樣后加一個(gè)與冷端溫度對(duì)應(yīng)的常數(shù)即可 對(duì)于T0經(jīng)常波動(dòng)的情況 可利用熱敏電阻或其它傳感器把T0信號(hào)輸入計(jì)算機(jī) 按照運(yùn)算公式設(shè)計(jì)一些程序 便能自動(dòng)修正 后一種情況必須考慮輸入的采樣通道中除了熱電動(dòng)勢(shì)之外還應(yīng)該有冷端溫度信號(hào) 如果多個(gè)熱電偶的冷端溫度不相同 還要分別采樣 若占用的通道數(shù)太多 宜利用補(bǔ)償導(dǎo)線把所有的冷端接到同一溫度處 只用一個(gè)冷端溫度傳感器和一個(gè)修正T0的輸入通道就可以了 冷端集中 對(duì)于提高多點(diǎn)巡檢的速度也很有利 7 補(bǔ)償導(dǎo)線法 利用補(bǔ)償導(dǎo)線 將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場(chǎng)所 如儀表室 根據(jù)中間溫度定律 只要熱電偶的兩個(gè)熱電極分別與兩補(bǔ)償導(dǎo)線的接點(diǎn)溫度一致 就不會(huì)影響熱電動(dòng)勢(shì)的輸出 9 1 2常用熱電偶的結(jié)構(gòu)類型 一熱電偶材料用作熱電極的材料應(yīng)具備下面的條件 溫度測(cè)量范圍廣 要求在規(guī)定的溫度測(cè)量范圍內(nèi)有較高的測(cè)量精確度 有較大的熱電動(dòng)勢(shì) 溫度與熱電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系是單值函數(shù) 最好是呈線性關(guān)系 性能穩(wěn)定 要求在規(guī)定的溫度測(cè)量范圍內(nèi)使用時(shí)熱電性能穩(wěn)定 均勻性和復(fù)現(xiàn)性好 物理化學(xué)性能好 要求在規(guī)定的溫度測(cè)量范圍內(nèi)有良好的化學(xué)穩(wěn)定性 抗氧化性或抗還原性能 材料的溫度系數(shù)和電阻率要小 材料的復(fù)制性好 機(jī)械強(qiáng)度高 滿足上述條件的熱電偶材料并不很多 我國(guó)把性能符合專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)并具有統(tǒng)一分度表的熱電偶材料稱為定型熱電偶材料 從1988年1月1日起 我國(guó)熱電偶和熱電阻的生產(chǎn)全部按國(guó)際電工委員會(huì) IEC 的標(biāo)準(zhǔn) 并指定S B E K R J T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶 但其中的R型 鉑銠13 鉑 熱電偶 因其溫度范圍與S型 鉑銠10 鉑 重合 我國(guó)沒(méi)有生產(chǎn)和使用 熱電偶的種類 1 標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶 1 鉑銠30 鉑銠6熱電偶 分度號(hào)B 它的正極是鉑銠絲 鉑70 銠30 負(fù)極也是鉑銠絲 鉑94 銠6 俗稱雙鉑銠 測(cè)量溫度最高長(zhǎng)期可達(dá)1600 短期可達(dá)1800 優(yōu)點(diǎn)是材料性能穩(wěn)定 測(cè)量精度高 測(cè)溫上限高 缺點(diǎn)是在還原性氣體中易被侵蝕 成本高 鉑 pt78 性軟 易受機(jī)械處理 溶點(diǎn)1772 C 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定 但溶于王水 硝酸和鹽酸1 3混合 鉑族元素 釕 鋨 銠 銥 鈀 鉑 溶點(diǎn)都在1500 C以上 性質(zhì)穩(wěn)定 在自然界中多以游離態(tài)存在 金 AU79 延展性強(qiáng) 比重19 32 熔點(diǎn)1064 C 在空氣中極穩(wěn)定 不溶于酸或堿 溶于王水及氯化鉀 氯化鈉溶液中 2 鉑銠10 鉑熱電偶 分度號(hào)S 正極是鉑銠絲 鉑90 銠l0 負(fù)極是純鉑絲 測(cè)量溫度最高長(zhǎng)期可達(dá)1300 短期可達(dá)1600 一般用來(lái)測(cè)量1000 以上的高溫 優(yōu)點(diǎn)是材料性能穩(wěn)定 測(cè)量準(zhǔn)確度較高 可做成標(biāo)準(zhǔn)熱電偶或基準(zhǔn)熱電偶 抗氧化性強(qiáng) 宜在氧化性 惰性氣氛中工作 缺點(diǎn)是在高溫還原性氣體中 如氣體中含C H2等 易被侵蝕 需要用保護(hù)套管 另外其熱電極材料屬貴金屬 成本較高 熱電勢(shì)也較弱 國(guó)際溫標(biāo)中規(guī)定它為630 74 1064 43 溫度范圍內(nèi)復(fù)現(xiàn)溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器 正極是鎳鉻合金 88 4 89 7 鎳 9 10 鉻 0 6 硅 0 3 錳 0 4 0 7 鈷 負(fù)極為鎳硅 鎳95 7 97 鎳 2 3 硅 0 4 0 7 鈷 測(cè)溫范圍為 200 1300 優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫范圍很寬 熱電動(dòng)勢(shì)與溫度關(guān)系近似線性 熱電動(dòng)勢(shì)大 高溫下抗氧化能力強(qiáng) 價(jià)格低 所以在工業(yè)上應(yīng)用廣泛 3 鎳鉻 鎳硅熱電偶 分度號(hào)K 缺點(diǎn)是熱電動(dòng)勢(shì)的穩(wěn)定性和精度較B型或S型熱電偶差 在還原性氣體和含有SO2 H2S等氣體中易被侵蝕 測(cè)量溫度長(zhǎng)期可達(dá)1000 短期可達(dá)1300 4 鎳鉻 銅鎳熱電偶 分度號(hào)E 正極是鎳鉻合金 負(fù)極是銅鎳合金 銅55 鎳45 測(cè)溫范圍為 200 1000 優(yōu)點(diǎn)是熱電動(dòng)勢(shì)較其他常用熱電偶大 適宜在氧化性或惰性氣氛中工作 正極是鐵 負(fù)極是銅鎳合金 測(cè)溫范圍為 200 1300 其特點(diǎn)是價(jià)格低 熱電動(dòng)勢(shì)較大 僅次于E型熱電偶 靈敏度高 約為53 V 線性度好 價(jià)格便宜 可在800 以下的還原介質(zhì)中使用 主要缺點(diǎn)是鐵極易氧化 5 鐵 銅鎳熱電偶 分度號(hào)J 正極是銅 負(fù)極是銅鎳合金 測(cè)溫范圍為 200 400 熱電勢(shì)略高于鎳鉻 鎳硅熱電偶 約為43 V 優(yōu)點(diǎn)是精度高 復(fù)現(xiàn)性好 穩(wěn)定性好 價(jià)格便宜 缺點(diǎn)是銅極易氧化 故在氧化性氣氛中使用時(shí) 一般不能超過(guò)300 6 銅 銅鎳熱電偶 分度號(hào)T 在0 100 范圍內(nèi) 銅 銅鎳熱電偶已被定為三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶 用以檢測(cè)低溫儀表的精度 誤差不超過(guò) 0 1 幾種常用熱電偶的測(cè)溫范圍及精確度 WR裝配式熱電偶基本型號(hào) 銥和銥合金熱電偶 如銥50銠 銥10釕 銥銠40 銥 銥銠60 銥熱