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1、传感器技术及应用 机械06机电方向,20082009第二学期 2009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；使热电耦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），热电耦是高温检测（0-1000度）。 第三，从材料上分，热电阻是一种金属材料，热电耦是双金属材料。,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
2、电势由两部分组成：温差电势和接触电势。,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,2. 温差电势,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
3、定律 （三）连接导体定律 电路中应用补偿导线节约贵金属 （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
4、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),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),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)=
5、EAB(T1)-EAB（T0）,图c，在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） 是运用补偿导线进行测温的理论基础,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,应用：补偿导线原理,引入与A、B同样热电特性的材料(即补
6、偿导线) A、B 则回路总电动势不变，仍为 EABBA（T1，Tn，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
7、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
8、，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
9、.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
10、；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
11、 ，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
12、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。,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),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,热电偶测温电路,作业：7-4，78,The end,
