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1、传感器技术及应用机械09,20112012第二学期2012年3月,7.2 热电偶传感器,热电阻与热电偶的区别第一，信号的性质不同，温度的变化，使热电阻产生电阻值变化；使热电偶产生感应电压的变化。第二，检测的温度范围不一样，热电阻是低温检测（0-150度），热电偶是高温检测（0-1000度）。第三，从材料上分，热电阻是一种金属材料，热电偶是双金属材料。,7.2 热电偶传感器,一、工作原理热电效应两种不同材料A、B组成闭合回路，两节点AB1，AB2 处于不同温度T和T0，回路中形成一热电势和相应的热电流 i，该现象称为热电效应,7.2.1 热电偶工作原理及其工作定律,热电势由两部分组成：温差电势和
2、接触电势。,1.接触电势,EAB(T)A、B两种金属在温度T 时的接触电势；接触电势的大小与温度T高低及两种导体中的电子密度NA、NB间差异有关。,1、接触电势两种材料之间,2.温差电势同一材料两端,EA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0高低端的绝对温度；,3.回路总电势,EAB(T，T0)=EAB(T)EAB(T0)EA(T,T0)EB(T,T0)考虑温差电势较接触电势可忽略不计,有：EAB(T，T0)=EAB(T)EAB(T0),二、热电耦工作定律,（一）均质导体定律 构成热电偶的基本定律（二）中间导体定律 热电偶测量的基本定律（三）连接导体定律 电路中应用补
3、偿导线节约贵金属（四）中间温度定律 计算修正的依据（五）参考电极定律 热电偶选配依据,(一)均质导体定律,（1）由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；,反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。,（2）当材料（A，B）一定时，热电势 仅与热电偶两端点温度有关：,EAB(T，T0)=EAB(T)EAB(T0)若使EAB(T0)=C时，则：EAB(T，T0)=EAB(T)Cf(T)即热电势为热端温度T的单值函数，这就是热电偶测温原理,（二）中间导体定律,1）一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它
4、们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。,0,E总 EAB(T)EBC(T)ECA(T),三个接触点温度相同,2）将A、B构成的热电偶的T0端断开，接入第三种导体C，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体C后对回路总电动势无影响。,EABC(T，T0)EAB(T)EBC(T0)ECA(T0),EAB(T)EAB(T0),EABC(T，T0)EAB(T，T0),等温区接入导体不影响总电动势,图示：第三种材料接入热电偶回路的两种情况,图b，在材料A中加入第三导体C，使C两端点温度相同为T2，不影响原回路总电势。EAB(T1,T0)=EAB(T1)-EAB（T0）,图c，在
5、AB右节点加入第三导体C，不影响原回路总电势。EAB（T1,T0）=EAB（T1）-EAB（T0）,意义：,可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等。,(三）连接导体定律,EABBA（T，Tn，T0）EAB（T）EBB（Tn）EBA（T0）EAA（Tn）EAB（T）EB A（T0）EBB（Tn）EAA（Tn）,在热电偶回路中，接入连接导线A、B，各接点温度为：T Tn T0则回路总电势为,EB A（T0）,0,0,是运用补偿导线进行测温的理论基础,应用：补偿导线原理,引入与A、B同样热电特性的材料(即补偿导线)A、B则回路总电动势不变，仍为EABBA（T1，T
6、n，T0）EAB(T1)EAB(T0)=EAB(T1，T0)即：接入AB后不管接点温度Tn如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。,B,例,热电偶补偿导线知识,由于热电偶 的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。,补偿导线类型,1 延长型补偿导线又称延长型导线，其合金丝的名义化学成分及热电动势标称值与配用的热电偶相同。2.补偿型补偿导线又称补偿型导线，其合金丝的名义化学成分与配用的热电偶不同，但其热电动势值在0100或0200时与配用
7、热电偶的热电动势标称值相同。,（四）中间温度定律,对于材料A、B，若已知热电势EAB(T1,T0)、EAB(T0,T2),则：EAB（T1,T2）=EAB（T1,T0）+EAB（T0,T2）,或：EAB（T1,T2）=EAB（T1,T0）EAB（T2,T0）,应用：热电偶分度表,在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。表分度表中，参考端温度为:0摄氏度 当冷端温度 T00 时，EAB(T，T0)是热电偶热端T对于0和冷端T0 对于0时的热电势之差 BAB(T，T0)EAB(T，0）EAB(T0，0),热电势单位：V,例1例2,例：用分度号为K的镍铬-镍硅热电偶测
8、量温度，在没有采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为500，而这时冷端温度为60。,试问：实际温度应 T 为多少？,E（500，0）,2.436mv,23.076mv,E（557，0）,20.64mv,E（T，0）E（T，60）E（60，0）,T 为557,表1表2,如果热端温度不变，设法使冷端温度保持在20，此时显示仪表的指示值应为多少？,显示仪表指示值应为538.4。显示误差为18.6,E（538.4，0）,0.798mV,23.076mv,22.278mV,E（T，0）,E(557，20）=E（557，0）E（20，0）,表1表2,(五）参考电极定律,如果任意两种导体材料的热电势是已
9、知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，,它们相互间热电势的关系为：EAB（T,T0）=EAC（T,T0）EBC（T,T0）,意义：方便热电偶的配选工作。,由各种材料A、B与标准电极C（铂）组成的热电偶分度表，可求出任何二种材料电极A、B组成的热电偶产生的热电势。在工艺制作上，大大方便了热电偶的配选工作。,例题3：,铜-铂构成热电偶在（100，0）下热电动势为0.75mV；康铜-铂构成热电偶在（100，0）下热电动势为3.35mV；问铜-康铜构成热电偶时在（100，0）下热电动势为多少？,4.10mV,7.2.2 热电偶传感器,一、热电偶材料1、热电偶材料应满足：物理性能稳定，热电特性不随时间
10、改变；化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；便于制造；复现性好，便于成批生产。,2、标准热电偶：,标准热电偶：指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶。有相应的分度表、线性化集成电路。有与其配套的显示仪表可供选用。我国从1991年开始采用（ITS-90）新标准，共有八种标准化了的通用热电偶B、R、S、K、N、E、J、T，写在前面的热电极为正极，写在后面的为负极。,八种国际通用热电偶特性表,热电偶产品型号,（1）普通热电偶（2）薄膜热电偶,二、热电偶的结构,（3）铠装热电偶,将热电极、绝缘材料和金属保护套管加工成
11、一个坚实的整体，经复合拉伸后形成的热电偶；细：一般直径为18mm；长：长度一般为120m；,（4）表面热电偶温度计,凸型：固体平面温度测量2.弓型：固体圆形、球形表面温度测量3.针形：导电固体表面温度测量,热电偶产品,热电偶、热电偶插件、温度变送器,安装形式,热电偶温度计,三、热电偶的温度补偿,原因为保证输出热电势是被测温度T的单值函数，必须使冷端温度T0保持恒定；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据。,方法：0 恒温法 计算修正法 补正系数法,冷端补偿器法 软件处理法,1、0 恒温法（冰点槽法）,把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里。这种办法仅限于科学实验中使用。,修正值,2、修正值
12、,2.计算修正法,以普通室温为参考端实际温度Tn，利用公式计算EAB(T,0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,0),1、测得值,3、查表值,3.补正系数法,参考端实际温度tn乘上系数k，加到由EAB(t，tn)EAB(t1，0)查分度表所得的温度上t1，成为被测温度t。用公式表达即 t t1 k t n例：已知参考端温度为30，镍铬考铜热电偶测得温度600。查表75，对应于600的补正系数k=0.78则被测温度：t=6000.7830623.4（）,4、延伸热电极法,补偿导线法用补偿导线将显示/测量仪表位置延伸到远离被测点的冷端。注意：型号、极性,随着热电偶的标准化，补偿导线也形成了标准系列。国际电工委员会也制定了国际标准，适合于标准化热电偶使用,5、补偿电桥法-冷端温度自动补偿法,桥臂电阻：R4 较R1，R2，R3的温度系数大，冷端温升时：R4 增大，使Uab增大补偿热电耦电势Ex的减小保持回路总输出电势UAB不变,输出信号：UAB=Ex+Uab,热电偶测温电路,作业：,7-3 用热敏电阻进行线性温度测量是必须注意什么问题？7-4 利用热电偶测温必须具备哪两个条件？试解释温度补偿的必要性和主要方法。7-9 实验室备有铂铑-铂热电偶、铂电阻器和半导体热敏电阻器，今欲测量某设备外壳的温度，已知其温度300400C，要求精度达2C，问应选哪一种？为什么？,The end,
