教學(xué)課件熱電式傳感器

第7章熱電式傳感器7.1熱電偶7.2熱釋電

7.1熱電偶熱電偶測溫范圍：100℃~1300℃特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、制作容易、精度高、溫度測量范圍寬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳、使用方便?！且环N有源傳感器，測量時(shí)不需外加電源。應(yīng)用：測量爐子或管道的氣體、液體的溫度或固體的外表溫度.先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)——熱電偶工作原理演示

結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。

熱電極A右端稱為：自由端〔參考端、冷端〕第二節(jié)熱電偶的工作原理

左端稱為：測量端〔工作端、熱端〕熱電極B熱電勢(shì)AB7.1.1熱電偶測溫原理1、熱電效應(yīng)：兩種不同材料的導(dǎo)體〔或半導(dǎo)體〕組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度T和T0不同時(shí)，那么在該回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。熱電動(dòng)勢(shì)〔來源：接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì)〕、熱電偶〔兩種材料的組合體〕、熱電極〔A、B兩導(dǎo)體〕熱端〔測量端或工作端〕、冷端〔參考端或自由端〕2、兩種導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢(shì)接觸電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的材料特性和接觸點(diǎn)的溫度。兩接點(diǎn)的接觸電動(dòng)勢(shì)eAB(T)和eAB〔T0〕可表示為含義：由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動(dòng)勢(shì)。接觸電動(dòng)勢(shì)的大小與導(dǎo)體的材料、接點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與導(dǎo)體的直徑、長度、幾何形狀等無關(guān)?！粚?dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動(dòng)勢(shì)。大小表示：3、單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)機(jī)理：高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多，結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因獲得多余的電子而帶負(fù)電，在導(dǎo)體兩端便形成溫差電動(dòng)勢(shì)。4、熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢(shì)eAB(T,T0)=eAB(T)＋eB(T,T0)－eAB(T0)－eA(T,T0) 忽略溫差電動(dòng)勢(shì)，熱電偶的熱電勢(shì)可表示為：

熱電偶回路有四個(gè)電動(dòng)勢(shì)：兩個(gè)接觸電動(dòng)勢(shì)、兩個(gè)溫差電動(dòng)式〔▲▲〕。實(shí)踐證明：①熱電偶回路所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)主要是由接觸電動(dòng)勢(shì)引起的，溫差電動(dòng)勢(shì)所占比例極小，可以忽略不計(jì)；②又因?yàn)镋AB(t)和EAB(t0)的極性相反，假設(shè)導(dǎo)體A的電子密度大于導(dǎo)體B的電子密度，那么A為正極、B為負(fù)極，因此回路的總電動(dòng)勢(shì)為：影響因素取決于材料和接點(diǎn)溫度，與形狀、尺寸等無關(guān)結(jié)論：1〕兩熱電極相同時(shí)，即nA(t)=nB(t)、nA(t0)=nB(t0)，總電動(dòng)勢(shì)為0。2〕兩接點(diǎn)溫度相同時(shí)(t=t0)，總電動(dòng)勢(shì)為0。3〕熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)大小與材料(nA,nB)和接點(diǎn)溫度(t,t0)有關(guān)，與其尺寸、形狀等無關(guān)。4〕熱電偶在接點(diǎn)溫度為t1，t3時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于此熱電偶在接點(diǎn)溫度為t1，t2與t2，t3兩個(gè)不同狀態(tài)下的熱電動(dòng)勢(shì)之和，即EAB(t1,t3)=EAB(t1,t2)+EAB(t2,t3)=EAB(t1)-EAB(t2)+EAB(t2)-EAB(t3)=EAB(t1)-EAB(t3)5〕電子濃度取決于熱電偶材料的特性和溫度，當(dāng)A、B選定后，熱電動(dòng)勢(shì)EAB(t，t0)就是兩接觸點(diǎn)t喝t0的函數(shù)差，即EAB(t，t0)=f(t)-f(t0)當(dāng)參考端溫度T0恒定時(shí)，eAB(T0)=c為常數(shù)，那么總的熱電動(dòng)勢(shì)就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即可見：只要測出EAB〔T,T0〕的大小，就能得到被測溫度T，這就是利用熱電偶測溫的原理。熱電偶的分度表不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動(dòng)勢(shì)之間有不同的函數(shù)關(guān)系，一般通過實(shí)驗(yàn)的方法來確定，并將不同溫度下測得的結(jié)果列成表格，編制出熱電勢(shì)與溫度的對(duì)照表，即分度表。供查閱使用，每10℃分檔。中間值按內(nèi)插法計(jì)算。tM——被測溫度值；tH——較高的溫度值；tL——較低的溫度值；EM、EH、EL——分別為溫度tM、tH、tL對(duì)應(yīng)的熱電動(dòng)勢(shì)。在熱電偶測溫回路內(nèi)，接入第三種導(dǎo)體時(shí)，只要第三種導(dǎo)體的兩端溫度相同，那么對(duì)回路的總熱電勢(shì)沒有影響?！?〕中間導(dǎo)體定律應(yīng)用：利用熱電偶進(jìn)行測溫，必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表，接入導(dǎo)線和儀表后不會(huì)影響回路中的熱電勢(shì)。5.熱電偶的根本定律▲▲測量儀表及引線作為第三種導(dǎo)體的熱電偶回路〔2〕中間溫度定律eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)在熱電偶測溫回路中，tc為熱電極上某一點(diǎn)的溫度，熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為t、t0時(shí)的熱電勢(shì)eAB(t,t0)等于熱電偶AB在接點(diǎn)溫度t、tc和tc、t0時(shí)的熱電勢(shì)eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)的代數(shù)和，即中間溫度定律中間溫度定律的應(yīng)用根據(jù)這個(gè)定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導(dǎo)體A′和B′，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱電偶回路中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)。該定律是參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)。在實(shí)際熱電偶測溫回路中,利用熱電偶這一性質(zhì),可對(duì)參考端溫度不為0℃的熱電勢(shì)進(jìn)行修正?！?〕標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體〔電極〕定律標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體定律的意義通常選用高純鉑絲作標(biāo)準(zhǔn)電極只要測得它與各種金屬組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，那么各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)就可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極定律計(jì)算出來。例：熱端為100℃，冷端為0℃時(shí)，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為－4.0mV，那么鎳鉻和考銅組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)應(yīng)為：2.95－(－4.0)=6.95(mV)〔4〕均質(zhì)導(dǎo)體定律由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其熱電動(dòng)勢(shì)的大小只與兩材料及兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分布無關(guān)。即熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。意義：有助于檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料成分是否相同及材料的均勻性。為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對(duì)象的測溫要求和條件，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有：普通型熱電偶特殊熱電偶－鎧裝型熱電偶－薄膜熱電偶等。

7.1.2熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類普通型熱電偶結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：測溫端熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；機(jī)械強(qiáng)度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上。鎧裝型熱電偶薄膜熱電偶特點(diǎn)：熱接點(diǎn)可以做得很小〔μm〕，具有熱容量小、反響速度快〔μs〕等特點(diǎn)，適用于微小面積上的外表溫度以及快速變化的動(dòng)態(tài)溫度測量。熱電極材料的選取性能穩(wěn)定溫度測量范圍廣物理化學(xué)性能穩(wěn)定導(dǎo)電率要高，并且電阻溫度系數(shù)要小材料的機(jī)械強(qiáng)度要高，復(fù)制性好、復(fù)制工藝簡單，價(jià)格廉價(jià)熱電偶的種類

標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要性能和特點(diǎn)熱電偶名稱正熱電極負(fù)熱電極分度號(hào)測溫范圍特點(diǎn)鉑銠30－鉑銠6鉑銠30鉑銠6B0～＋1700℃（超高溫）適用于氧化性氣氛中測溫，測溫上限高，穩(wěn)定性好。在冶金、鋼水等高溫領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。鉑銠10－鉑鉑銠10純鉑S0～＋1600℃（超高溫）適用于氧化性、惰性氣氛中測溫，熱電性能穩(wěn)定，抗氧化性強(qiáng)，精度高，但價(jià)格貴、熱電動(dòng)勢(shì)較小。常用作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶或用于高溫測量。鎳鉻－鎳硅鎳鉻合金鎳硅K－200～＋1200℃（高溫）適用于氧化和中性氣氛中測溫，測溫范圍很寬、熱電動(dòng)勢(shì)與溫度關(guān)系近似線性、熱電動(dòng)勢(shì)大、價(jià)格低。穩(wěn)定性不如B、S型熱電偶，但是非貴金屬熱電偶中性能最穩(wěn)定的一種。鎳鉻－康銅鎳鉻合金銅鎳合金E－200～＋900℃（中溫）適用于還原性或惰性氣氛中測溫，熱電動(dòng)勢(shì)較其他熱電偶大，穩(wěn)定性好，靈敏度高，價(jià)格低。鐵－康銅鐵銅鎳合金J－200～＋750℃（中溫）適用于還原性氣氛中測溫，價(jià)格低，熱電動(dòng)勢(shì)較大，僅次于E型熱電偶。缺點(diǎn)是鐵極易氧化。銅－康銅銅銅鎳合金T－200～＋350℃（低溫）適用于還原性氣氛中測溫，精度高，價(jià)格低。在－200～0℃可制成標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。缺點(diǎn)是銅極易氧化。

熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償▲▲當(dāng)熱端溫度為t時(shí)，分度表所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)eAB(t,0)與熱電偶實(shí)際產(chǎn)生的熱電勢(shì)eAB(t,t0)之間的關(guān)系可根據(jù)中間溫度定律得到下式：eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0)由此可見，eAB(t0，0)是冷端溫度t0的函數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中，由于熱電偶冷端離工作端很近，且又處于大氣中，其溫度受到測量對(duì)象和周圍環(huán)境溫度波動(dòng)的影響，這樣冷端溫度難以保持恒定，會(huì)帶來測量誤差，因此需要對(duì)熱電偶冷端溫度進(jìn)行處理。熱電偶一般做得較短，一般為350～2000mm。在實(shí)際測溫時(shí)，需要把熱電偶輸出的電勢(shì)信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場數(shù)十米遠(yuǎn)的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣,冷端溫度t0比較穩(wěn)定。(1)熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線解決方法：工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線。在0～100℃溫度范圍內(nèi)，要求補(bǔ)償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。常用補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶類型補(bǔ)償導(dǎo)線類型補(bǔ)償導(dǎo)線正極負(fù)極鉑銠10－鉑銅－銅鎳合金銅銅鎳合金（鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%）鎳鉻－鎳硅I型：鎳鉻－鎳硅鎳鉻鎳硅鎳鉻－鎳硅II型：銅－康銅銅康銅鎳鉻－康銅鎳鉻－康銅鎳鉻康銅鐵－康銅鐵－康銅鐵康銅銅－康銅銅－康銅銅康銅在實(shí)驗(yàn)室及精密測量中，通常把冷端放入0℃恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0℃。這是一種理想的補(bǔ)償方法，但工業(yè)中使用極為不便。(2)冷端0℃恒溫法當(dāng)冷端溫度t0不等于0℃，需要對(duì)熱電偶回路的測量電勢(shì)值eAB〔t，t0〕加以修正。當(dāng)工作端溫度為t時(shí)，分度表可查eAB(t,0)與eAB(t0,0)。根據(jù)中間溫度定律得到：eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0)(3)冷端溫度修正法t——工作段溫度t0——冷端的實(shí)際溫度0——冷端的標(biāo)準(zhǔn)溫度〔0℃，便于查表〕E〔t，t0〕——熱電偶工作在t與t0時(shí)，儀表測出的熱電動(dòng)勢(shì)值E〔t，0〕和E〔t0，0〕——冷端溫度為0℃，工作點(diǎn)溫度為t和t0時(shí)的電動(dòng)勢(shì)值〔由熱電偶分度表中查得〕例子：用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量加熱爐溫度。冷端溫度t0=30℃，測得熱電勢(shì)eAB〔t，t0〕為39.17mV,求加熱爐溫度。eAB〔t，0〕=eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=39.17+1.203=40.373mV再從表中查得E(970,0)=40.096mV，E(980,0)=40.488mV解：查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得：eAB〔30，0〕=1.203mV可得：可得加熱爐溫度為：(4)冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法〔電橋補(bǔ)償法〕7.1.4熱電偶測溫線路測量單點(diǎn)的溫度特殊情況下，熱電偶可以串聯(lián)或并聯(lián)使用，但只能是同一分度號(hào)的熱電偶，且冷端應(yīng)在同一溫度下。如熱電偶正向串聯(lián)，可獲得較大的熱電勢(shì)輸出和提高靈敏度；在測量兩點(diǎn)溫差時(shí)，可采用熱電偶反向串聯(lián)；利用熱電偶并聯(lián)可以測量平均溫度。測量兩點(diǎn)間溫度差〔反向串聯(lián)〕測量溫度之和優(yōu)點(diǎn)：熱電動(dòng)勢(shì)大，儀表的靈敏度大大增加，且防止了熱電偶并聯(lián)線路存在的缺點(diǎn)，可立即可以發(fā)