中职_传感器_ppt课件_10

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1、机械工业出版社中等职业教育电气类规划教材 自动检测与转换技术 第九章 多媒体课件200951 更新Date1第九章 热电偶传感器在这一章里，卡卡要给大家介绍有关温度 、温标、测温方法等一些基本概念和方法， 着重介绍热电偶传感器的原理、分类、特性 及其应用。热电偶传感器属于自发电型传感器。开尔文是英国著名的物理学家。一百 多年前，他建立了热力学温度标度，也 称为绝对温标。它的零度，即物质世界 可能的最低温度，相当于摄氏零下273度 ，称为绝对零度。*2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

2、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Date3二、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、热力学温标等。 Date4几种温标的对比 正常 体温为37 C ，相当于华 氏温度多 少度？Date5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Date6199

3、0国际温标(ITS-90) 国际温度咨询委员会于1989年9月通过了1990年新的国际温标(ITS-90),并上报国际计量委员会批准。这个新国际温标于1990年1月1日起在全世界各国开始执行。新温标用“T_(90)”代表势力学温度,其单位仍用 K 表示。我国的国家法定测温标准将统一采用新的国际温，简称ITS-90。ITS-90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 如水的三相点为273.16K（0.01C）等。 Date7三、温度测量及传感器分类 温度传感器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

4、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。 Date8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 Date9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Date10体积热膨胀式 不需要电源，耐 用；但感温部件体积较 大。 气体的体积与 热力学温度成正比Date11红外温度计激光瞄准Date12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。Date1

5、3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。 热电极A 右端称为：自由 端（参 考端、 冷端） 第二节 热电偶的工作原理及分类 左端称为：测量 端（工 作端、 热端） 热电极B热电势ABDate14从实验到理论：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。这说明什么？1工作端 2热电极3指南针 4参考端 Date15动画3：“结点”产生热电势的微观解释两种不同的金属互相接触时，由于不同 金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触 点处会发生自由电子

6、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。 自由 电子ABeAB（ T ）T热电偶的图形符号自由电子浓度高，失去电子多，带正电自由电子浓度低，失去电子少得到电子多，带负电 Date16以上演示得出的结论： 有关热电偶热电势的讨论热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端 热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差t 的 函数： EAB(T，T0)=eAB ( T )- eAB ( T0 )结论： 热电势大致与两个结点的温差T或t 成正比Date17从实验到理论得到有关热电效应的结论如果用两盏酒精灯同时加热两个结点，指 南针的

7、偏转角反而减小。这又说明什么？ 结论：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。热电流的强弱与两个结点的温差有关，而不 是与单一的一端结点的温度成正比。 Date18热电偶的种类及结构 八种国际通用热电偶：B:铂铑30铂铑6 、R:铂铑13铂 、S:铂铑10铂 、 K:镍铬镍硅 、N:镍铬硅镍硅 、 E:镍铬铜镍、 J:铁铜镍 、T:铜铜镍 用于制造铂铂热电偶 的各种铂铂热电偶丝Date19几种常用热电偶的测温范围及热电势 分度号 名称 测量温度范围 1000C 热电势/ mV B铂铑30铂铑6501820 C4.834R铂铑13铂-501768 C10.506S铂铑10铂-5

8、01768 C9.587K镍铬镍铬 (铝) -2701370 C41.276E镍铬铜镍 (康 铜 )270800 C5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？Date20几种常用热电偶的热电势与温度的 关系曲线分析 哪几种热电 偶的测温上限较 高？ 哪几种热电 偶的线性较差？哪一种热电 偶的灵敏度较高 ？ 哪一种热电 偶的灵敏度较低 ？为什么所有的曲线均过原点（零度点）？Date21热电偶的分度表 热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法我国从1991年开始采用国际计量委员会规 定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新 标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且 有相应的线性化集成电路与

9、之对应。 直接从热电偶的分度表查温度与热电势的 关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必 须为0C。本教材的附录D列出了工业中常用的镍铬- 镍硅（K）热电偶的分度表。Date22如何利用热电偶的分度表 假设热电偶的冷端温度 为0C，请根据本教材的附录 工业中常用的镍铬-镍硅 （K）热电偶的分度表，查 出-100、0 、 100 时 的热电势。数字式温度表温度上限设定值温度上限值设定键Date23K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？Date24如何由热电偶的热电势查热端温度值 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t

10、x 。Date25装配型热电偶的外形安装 螺纹安装 法兰Date26普通装配型 热电偶的 结构放大图 接 线盒引出线套管 固定螺纹 （出厂时用塑料包裹 ）热电偶工作端（热端） 不锈钢保护管 Date27铠装型热电偶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

11、问题，且具有 抗震、可弯曲、超长等优点。 Date28铠装型热电偶外形法 兰铠装型热电偶可 长达上百米薄壁金属 保护套管 （铠体） BA绝缘 材料铠装型热电偶 横截面Date29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

12、不安全、很容易引起环境气体爆炸） 。Date30隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒电缆线Date31其他热电偶外形小形K型热电偶Date32第三节 热电偶冷端的延长 采用相对廉价的补偿导线，可延长热电 偶的冷端，使之远离高温区；可节约大量贵金属； 易弯曲，便于敷设。 型号配用热电偶 正-负导线外皮颜色 正-负SC铂铑10-铂红-绿KC镍铬 - 镍硅红-蓝WC5/26钨铼5-钨铼26 红-橙补偿导线在0100C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。Date33补偿导线型号（续）型号 配用热电偶 正-负型 号导线外皮 颜色 正-负100时的 热电势/ mVRCR （铂

13、铑13铂）RC红-绿 0.647NC N（镍铬硅镍硅）NC 红-黄2.744EXE （镍铬铜镍）EX红-棕6.319JXJ（铁铜镍）JX红-紫5.264TXT （铜铜镍 ） TX红-白4.279Date34补偿导线外形 AB屏蔽层保护层Date35第四节 热电偶的冷端温度补偿必要性：1、用热电偶的分度表查毫伏数-温 度时，必须满足t0=0的条件。在实际测温中 ，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但 不是0 ，而且也不恒定， 因此将产生误差。2、 一般情况下，冷端温度均高于 0 ，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿 热电偶的冷端损失 。Date36冷端温度补偿的方法一、冷端恒温法：将热电偶的

14、冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持 在0不变。此法也称冰浴法，它消除了t0不等于0而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室中。 Date37冰浴法在冰瓶中，冰水混合物的温 度能较长时间地保持在0不变。Date38冰浴法接线图 1被测流体管道 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 Date39二、计算修正法 当热电偶的冷端温度t0 0C时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所 以测得的热电势EAB（t，t0）与冷端为0时所测得的热电势EAB（t，0 ）不等。若冷端温度高于0，则EAB（t，t0）EA

15、B（t，0 ）。可以利用下式计算并修正测量误差：EAB（t，0 ）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0 ） Date40计算修正法举例K 热电偶测温电路 中，热电极 A、 B直接焊接在钢 板上，A 、B 为补偿导线， Cu为铜导线， 已知接线盒1 的 温度t1=40， 冰瓶中为冰水混 合物，接线盒 3 的温度t3=20.0 。求：1）冰瓶的温度t 2；2）将热电极直接焊在钢板上是应用了热电偶的什么定律 ？3）当Ux=29.9mV时，估算被测点温度t x ；4）如果冰瓶中的冰完全融化，温度 上升到与接线盒1的温度相同，此时的 Ux=27.3mV，再求t x。 Date41三、仪表机械零点调整法

16、 用螺丝刀 调节仪表 面板上的 “机械零 点”，使 指针指到 气温t0（ 图中为40 C）的刻 度上。机械零点指针被预调到室温（40 C ） 可补偿冷端损失Date42四、电桥补偿法 XT-WBC 热电偶 冷端补 偿器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。 Date43半导体集成温度传感器及 热电偶冷端温度的测量 PN结是集成 温度传感器的最 基础的测温原件 PN 结的 温 度特性 结论： 二极管的正向电压 降UD以 -2mV/ 的趋势 变化 Date44集成温度传感器的类型 集成温度传感器可分为：模拟型集成温度传感器和数字