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1、任务二锅炉炉膛温度计的设计 一、任务描述利用热电偶传感器设计锅炉炉膛温度计，要求能实时监测炉膛温度， 通过4位数码管以数字形式显示。 二、任务目标 (1)掌握热电偶传感器的结构工作原理。 (2)掌握热电偶传感器的冷端温度补偿方法。 (3)能够利用热电偶传感器进行电路的设计。下一页返回任务二锅炉炉膛温度计的设计 三、知识链接 1.温度和温标(1)温度是表示物体冷热程度的物理量。从微观的角度来看，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。(2)温标是温度的数值表示方法。它规定了温度读数的起点(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、热力学温标等。上一页 下一页返回任务二锅炉炉膛温度计的设计摄氏温标。摄氏温标是根据液体(水)受热后体积膨胀的性质建立的 。摄氏温标的规定是:在标准大气压(1013.25百帕斯卡)下，冰水混合 物的温度为0度，水的沸点为100度，中间划分为100等份，每一等份 为1(摄氏度)，单位符号为，温度变量记做t。华氏温标。华氏温标也是根据液体(水银)受热后体积膨胀的性质建 立的。华氏温标的规定是:在标准大气压(1013.25百帕斯卡)下，冰水 混合物的温度为32度，水的沸点为212度，中间划分为180等份，每 一等份为10F(华氏度)，单位符号为0F，温度变量记做
3、tf。 摄氏温标和华氏温标有以下关系，即上一页 下一页返回任务二锅炉炉膛温度计的设计以上两种温标都属于人为规定的，称为经验温标。它们都依赖于物体 的物理性质。利用上述两种温标测得的温度的数值，与所选用的物体 的物理性质(如水银的纯度)及玻璃管材料等因素有关，不能严格保证 世界各国所采用的基本测温单位完全一致。 因此，必须找到一种不取决于物质的、更理想的温标来统一各国的基 本温度单位。上一页 下一页返回任务二锅炉炉膛温度计的设计热力学温标。1848年英国物理学家开尔文在总结前人温度测量的实 践基础上，从理论上提出了热力学温标，热力学温标是建立在热力学 第二定律基础上的一种理想温标，又称开氏温标，
4、它与物体的性质无 关。它的符号是T,单位是开尔文(K)。温度变量记作T。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为273.16 K，把从 绝对零度到水的三相点之间的温度均匀地分为273.16等份，每一份为 1 K。 热力学温标和摄氏温标的关系为上一页 下一页返回任务二锅炉炉膛温度计的设计 2.热电偶传感器的工作原理 热电偶传感器是一种能将温度转换成电势的装置。目前在工业生产和 科学研究中已得到广泛的应用，并且已经可以选用标准的显示仪表和 记录仪表来进行显示和记录。1)热电效应 两种不同材料的导体(或半导体)组成一个闭合回路，当两
5、接点温度T和 T0不同时，则在该回路中就会产生电势，这种现象称为热电效应。其中，A和B组成的闭合回路称热电偶，A,B称热电极，两电极的连接 点称为接点。测温时置于被测温度场T的接点称为热端或测量端， 另一端称为冷端或参考端。热电偶产生的热电势是由两种导体的接触 电势和单一导体的温差电势组成的，如图2-21所示。任务二锅炉炉膛温度计的设计(1)接触电势。 接触电势是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。当两种不同的金属A和B接触到一起，如图2-22所示，在金属A, B的 接触处将会发生电子扩散，设A, B中的自由电子密度分别为nA和nB ，并且nAnB ，在单位时间内金属A
6、扩散到B的电子数要比金属B扩散 到A的电子数多。这样，金属A因失去电子而带正电，金属B因得到电 子而带负电，于是在接点处便形成电位差，即接触电势。在接触处形 成的接触电势将阻碍电子的进一步扩散，当电子的扩散作用和上述电 场的阻碍扩散作用相等时，接触处的自由电子扩散便达到动态平衡。接触电势的数值大小取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度 ，上一页 下一页返回任务二锅炉炉膛温度计的设计2)温差电势。 温差电势是指同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。 同一导体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，
7、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。温差电动势的大小取决于导体材料和两端温度。 2)热电偶回路的总电动势分根据析，热电偶回路中共有4个电动势，其中接触电动势两个、温 差电动势两个。上一页 下一页返回任务二锅炉炉膛温度计的设计热电偶的总电动势与两种材料的电子密度及两接点的温度有关，可得到以下结论: (1)如果热电偶两电极材料相同，则无论两接点温度如何，总电动势为 零。 (2)如果热电偶两接点温度相同，尽管A, B材料不同，回路中总电动势 为零。 (3)当热电极A, B确定后，热电动势的大小只和材料及接点温度有关， 当冷端温度保持不变时，热电动势为热端温度的单值函数。上一
8、页 下一页返回任务二锅炉炉膛温度计的设计对于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 ，一般通过实验方法来确定，并将不同温度下所测得的结果列成表格 ，编制出针对各种热电偶的热电动势与温度的对照表，称为分度表， 见附录A,表中的温度是按照10分档，其中间值可按内插法计算，即式中tM 被测温度值; tH较高温度值; tL较低温度值; EM, EH, ET 分别为tM , tH和tT对应的热电动势。上一页 下一页返回任务二锅炉炉膛温度计的设计3.热电偶传感器的种类和结构形式 (1)热电偶的材料 为了提高测量的准确度，对组成热电偶的材料有严格的选择条件。在 实际使用中，用作热电极的材料
9、一般具备以下条件:热电动势及热电 动势率要大，保证有足够的灵敏度。热电特性最好是线性或近似线性 的单值函数关系，能在较宽的温度范围内使用，物理、化学性质要稳 定。要有高的电导率、小的电阻温度系数及小的热导率。复制性要好 ，即用同一种材料制成的热电偶其热电特性要一致，这样便于制作统 一的分度表。材料组织要均匀，具有良好的韧性，焊接性能好，以便 热电偶的制作。资源要丰富，价格低廉。上一页 下一页返回任务二锅炉炉膛温度计的设计2)热电偶的种类常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。标准热电偶是 指国家标准规定了其热电动势与温度的关系、允许误差，并有统一的 标准分度表的热电偶，它有与其配套的显
10、示仪表可供选用。非标准热 电偶在使用范围或数量级上均不及标准热电偶，一般也没有统一的分 度表，主要用于某些特殊场合的测量。表2-3是我国采用的符合IEC国 际标准的6种热电偶的主要性能和特点。3)热电偶的结构 为了保证热电偶可靠、稳定地土作，对它的结构要求如下:组成热电 偶的两个热电极的焊接必须牢固;上一页 下一页返回任务二锅炉炉膛温度计的设计两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路;补偿导线与热电偶自 由端的连接要方便、可靠;保护套管应能保证热电极与有害介质充分 隔离。目前，热电偶的结构形式有普通型热电偶、恺装型热电偶、薄 膜热电偶等。(1)普通型热电偶。 普通型热电偶一般由热电极、绝缘管、
11、保护管和接线盒等几个部分组 成，在工业上使用最广泛。其结构如图2-23所示。 热电极是热电偶的基本组成部分，使用时有正负极之分。热电极的长 度取决于应用需要和安装条件，通常为3002000 mm，常用长度是 350 mm;上一页 下一页返回任务二锅炉炉膛温度计的设计绝缘管位于热电极之间以及热电极和保护套管之间进行绝缘保护，防 止两根热电极短路，其形状一般为圆形或椭圆形，中间开有两个或4 个孔，热电极穿孔而过。要求室温下绝缘管的绝缘电阻应该在5 M, 以上，常用材料为氧化铝管和耐火陶瓷;保护管是用来隔离热电偶和 被测介质，使热电偶感温元件免受被测介质腐蚀和机械损伤。常用材 料有金属和非金属两类;
12、接线盒用来连接热电偶和补偿导线，根据被 测对象和现场环境，分为普通式、密封式两类。 (2)铠装型热电偶。 销装型热电偶是由热电极、绝缘材料和金属保护套管一起拉制加土而 成的坚实缆状组合体，其结构如图2-24所示。它可以做得细长，使用 中随需要任意弯曲。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。上一页 下一页返回任务二锅炉炉膛温度计的设计(3)薄膜热电偶。 薄膜热电偶是将两种薄膜热电极材料用真空蒸镀的方法蒸镀到绝缘基 板上而制成的一种特殊热电偶。它的热接点可以做得很小(在哗量级) ，具有热容量小、反应速度快(在s量级)等特点，适用于微小面积上 的表面温度以
13、及快速变化的动态温度测量。其结构如图2-25所示。上一页 下一页返回任务二锅炉炉膛温度计的设计4.热电偶传感器的基本定律 1)中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同 ，则回路中总的热电动势不变。 如图2-26所示，在热电偶回路中接入第三种导体C。设导体A与B接点 处的温度为t, A与C, B与C两接点处的温度为t0，则回路中的总电动势 为可以用同样的方法证明，断开热电偶的任何一个极，用第三种导体引 入测量仪表，其总电动势也是不变的。 热电偶的这种性质在实用上有着重要的意义，它使我们可以方便地在 回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器，也可以将热电偶的两 端
14、不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。任务二锅炉炉膛温度计的设计2)标准电极定律 如果两种导体分别与第三种导体组成热电偶，并且热电动势己知，则 由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就己知。 如图2-27所示，导体A, B分别与标准电极C组成热电偶，若它们所产 生的热电动势为已知，即上一页 下一页返回任务二锅炉炉膛温度计的设计那么，导体A与B组成的热电偶的热电动势可由式(2-20)求得，即标准电极定律是一个极为实用的定律。可以想象，纯金属的种类很多 ，而合金类型更多。因此，要得出这些金属之间组合而成热电偶的热 电动势，其工作量是极大的。由于铂的物理、化学性质稳定，熔点高
15、 ，易提纯，所以，通常选用高纯铂丝作为标准电极，只要测得各种金 属与纯铂组成的热电偶的热电动势，则各种金属之间相互组合而成的 热电偶的热电动势可根据式(2-20)直接计算出来。上一页 下一页返回任务二锅炉炉膛温度计的设计3)中间温度定律 热电偶在两接点温度t, to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，如图2-28所示。中间温度定律可以用式(2-21)表示，即中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。它表明，若热电偶 的热电极被导体延长，只要接入的导体组成热电偶的热电特性与被延 长的热电偶的热电特性相同，且它们之间连接的两点温度相同，则总 回路
16、的热电动势与连接点温度无关，只与延长以后的热电偶两端的温 度有关。中间温度定律为在热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依 据，也为制定和使用热电偶分度表奠定了基础。上一页 下一页返回任务二锅炉炉膛温度计的设计5.热电偶传感器的冷端温度补偿 热电动势EAB(t，t0)是两个接点温度的函数。但是，通常要求测量的是 一个热源的温度，或者两个热源的温度差，为此，必须固定其中一个 接点的温度。 对于任何一种实际的热电偶并不是由精确的关系式表示其特性，而是 用特性分度表。为了便于统一，分度表上所提供的热电偶特性分度表 是在保持热电偶冷端温度0的条件下，给出热电动势与热端温度的 数值对照。因此，当使用热电偶测量温度时，如果冷端温度保持0 ，则只要正确地测得电动势，通过对应分度表，即可查得所测的温度 。 但在实际测量中，热电偶冷端温度将受环境温度或热源温度的影
