第九章热电偶传感器.

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4、热电偶的分度表
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。
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、结构简单,使用方便,热电偶的电极不受大小和 形状的限制,可按照需要选择。 3、测温范围广:下限可达-270C ,上限可达
1800C以上;
4、精度高,各温区中的热电势均符合国际计量委员 会的标准。
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第九章
章节导入:
热电偶传感器
在众多测温传感器中,热电偶传感器已成规格, 并符合国际计量委员会的标准,在工业生产和科学 研究得到广泛应用。
本章要点:
1、了解温度测量的基本概念和方法; 2、热电偶的工作原理,了解热电偶的分类及特点, 会对热电偶进行选型; 3、理解中间计算修正定律,掌握冷端延长的方法, 并会选择补偿导线。 4、掌握控温仪表的接线方法。
薄膜热电偶的热接 点可以做得很小(可薄到 0.01~0.1μ m),具有热 容量小,反应速度快等的 特点,热相应时间达到微 秒级,适用于微小面积上 的表面温度以及快速变化 的动态温度测量。
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1—工作端 2—薄膜热电极 3—绝缘基地
4—引脚接头 5—相同材料引出线
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4、(补充)隔爆型热电偶外形
一、热电效应:
先看一个实验——热电偶工作原理演示 热电极A
一端称为: 测量端、 工作端、 热端
热电势
A
热电极B
一端称为: 自由端、 参考端、 冷端
B
结论:当两个结点温度不相同时,回路中将产生电动势。
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通过以上演示得出结论
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Δ t 的函数: EAB(T,T0)=eAB ( T )- eAB ( T0 )
镍铬硅-镍 硅
N
-270~ 1300
2.744
36.256
镍铬-铜镍 (锰白铜)
E
-270~ 800
6.319

铁-铜镍 (锰白铜)
J
-210~ 760
5.269

铜-铜镍 (锰白铜)
T
-270~ 400
4.279

二、结构形式 1、普通装配型热电偶的外形
安装螺纹 安装法兰
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普通装配型 热电偶的结构 放大图 接线盒
表:八种国际通用热电偶特性表
名 称 分 度 号 测温范围 /℃ 100℃ 时的 热电 势/mV 1000 ℃的 热电 势 /mV 4.834 特 点
铂铑30-铂 铑6①
B
50~1820
0.033
熔点高,测温上限高,性能稳定, 准确度高, 100℃以下热电势极小, 所以可不必考虑冷端温度补偿; 价昂,热电势小,线性差;只适 用于高温域的测量 使用上限较高,准确度高,性能 稳定,复现性好;但热电势较小, 不能在金属蒸气和还原性气氛中 使用,在高温下连续使用时特性 会逐渐变坏,价昂;多用于精密 测量 优点同上;但性能不如 R 型热电 偶;长期以来曾经作为国际温标 的法定标准热电偶
练习查K热 电偶的分度 表:分别查 出0 0C 、 1000C的热
电势。
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tx为7300C 。
Cu t2 00C t1 A + B tx 接线盒1
Cu
t3 Cu
+ u -x Cu
30
mV
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5、八种国际通用热电偶特性
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WC5/26 钨铼5-钨铼26
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补偿导线型号(续)
型号 配用热电偶 正 -负 导线外皮 100C时的 颜色 热电势/ mV 正 -负 红 -绿 0.647 2.744 6.319 5.264 4.279
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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不安全、很容易引起环境气体 爆炸)。
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第四节
热电偶冷端的延长
实际测量时,热电偶长度有限,冷端温度直接受到被测物 温度和环境温度的影响。工业中采用冷端延长的方法,使冷 端远离高温区。如果将热电偶做得太长、不经济,采用补偿导 线将冷端延长。
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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。
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表:温度传感器种类及特点
所利用的物理现象 传感器类型 气体热膨胀 气体温度计 液体压力温度计 玻璃水银温度计 双金属片温度计 钨铼热电偶 铂铑热电偶 其它热电偶 铂热电阻 热敏电阻 硅半导体 示温涂料 液晶 红外辐射温度计 光学高温温度计 热释电温度计 光子探测器 测温范围/0C -250~1000 -200~300 -50~350 -50~300 1000~2100 200~1800 -200~1200 -200~900 -50~200 -50~150 -50~1300 0~100 -50~1500 500~3000 0~1000 0~3500 特点 不需要电源、耐用;感温部件 体积较大
一、可以证明:
补偿导线在0~100C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。
二、补偿导线的好处:
(1)将自由端从温度波动区延长到温度稳定区,使指示仪 表的示数稳定。 (2)补偿导线比使用相同长度的热电极便宜许多。 (3)补偿导线用铜及铜合金制作,单位长度直流电阻比热 电极小得多,可以减小测量误差。 (4)补偿导线用塑料做绝缘层,自身为柔软的铜合金,易 于弯曲,便于敷设。
厚壁保护管
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压铸的接线盒
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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。
9.587
41.276 ——?
3、几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析
N、K、E热电偶 的测温上限较高 E、J、K、N热 电偶的灵敏度较高 R、S、B热电偶 的灵敏度较低 多数热电偶的 线性较差 国际计量委员 会公布了分度表, 所以多采用查表法。 因为绘制热电势-温度曲线或制定分度表时,总是将冷端置 于0℃这一规定环境中的缘故所有曲线均过原点。
分度号 B R 名称 铂铑30-铂铑6 铂铑13—铂 测量温度范围 50~1820 C -50~1768 C 1000C 热电势/ mV 4.834 10.506
S
K E
铂铑10—铂
镍铬-镍铬 (铝) 镍铬-铜镍 (康 铜)
-50~1768 C
-270~1370 C -270~800 C
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三、补偿导线的注意事项:
(1)两根补偿导线与两个热电极接点必须有相同温度 (2)补偿导线必须与相应的型号的热电偶配用 (3)必须在规定的温度范围内使用 (4)极性切勿接反。
四、补偿导线型号
型号 SC KC 配用热电偶 正- 负 铂铑10-铂 镍铬 - 镍硅 导线外皮颜色 正- 负 红- 绿 红- 蓝 红- 橙
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第三节
热电偶的种类及结构
一、热电偶的种类 1、八种国际通用热电偶:
B:铂铑30—铂铑6 K:镍铬—镍硅 E:镍铬—铜镍 R:铂铑13—铂 N:镍铬硅—镍硅 J:铁—铜镍 T:铜—铜镍 S:铂铑10—铂
用于制造铂热 电偶的各种铂 热电偶丝
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2、几种常用热电偶的测温范围及热电势
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) 。
1990国际温标(ITS-90)
从1990年1月1日开始在全世界范围内采用1990 年国际温标,简称ITS-90。它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。
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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!
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二、温标
1、温度的数值表示方法称为温标。它规
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、狭窄场合的测温问题,且具有 抗震、可弯曲、超长等优点。
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3、薄膜型热电偶结构与外形
1 A B 3 4 + 冷端
2
冷端
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薄膜热电偶是由两 种薄膜热电极材料,用真 空蒸镀、化学凃层等办法 蒸镀到绝缘基板上面制成 的一种特殊热电偶。
接触热电动势
自发电型,标准化程度高,品 种多、可根据需要选择;需注 意冷锻温度补偿 标准化程度高;需要接入桥路 得到输出电压 体积小、线性好、测温范围小 面积大、可得到温度图像、易 衰老、分辨力低 非接触式测量、反应快;易受 环境及被测体表面影响;标定 困难
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热电阻 PN结结电压 温度—颜色 光辐射 热辐射
EAB(T,T0)(T> T0)
A(nA>nB) T eAB (T) e (T)
AB
T0 eAB(T0) B
热电势大致与两个结点的温差Δ t 成正比
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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,如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热, 指南针的偏转角反而减小 。 显然,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,电流的强弱与两个结 点的温差有关。
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。
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几种温标的对比
正常体温为 37 C
相当于华氏 温度
1.8×37+32 =98F 相当于热力 学温标 37+273=310 K
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引出线套管
不锈钢保护管 固定螺纹
(出厂时用塑料包裹)
热电偶工作端(热端)
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2、铠装型热电偶外形
薄壁金属 保护套管 (铠体)
法兰
绝缘 材料
铠装型热电偶 横截面
A B
A、B为两电极
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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。
铂铑13-铂
R
-50~ 1768
0.647
10.506
铂铑10-铂
S
-50~ 1768
0.646
9.587
①铂铑 表示该合金含70%的铂及30%的铑,以下类推。
镍铬-镍硅
K
-270~ 1370
4.096
41.276
热电势大,线性好,稳定性 好,价廉;但材质较硬,在 1000℃以上长期使用会引起热 电势漂移;多用于工业测量 是一种新型热电偶 ,各项性 能均比 K 型热电偶好,适宜于 工业测量 热电势比K型热电偶大50%左右 线性好,耐高湿度,价廉;但 不能用于还原性气氛;多用于 工业测量 价格低廉,在还原性气体中 较稳定;但纯铁易被腐蚀和氧 化;多用于工业测量 价廉,加工性能好,离散性 小,性能稳定,线性好,准确 度高;铜在高温时易被氧化, 测温上限低;多用于低温域测 量。可作 -200 ~ 0℃温域的计 量标准
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举例:变色涂料在电脑内部温度中的示温作用
温度升高后变为红色
CPU散热 风扇
低温时 显示蓝色
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举例: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
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举例:红外温度计
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第二节
热电偶的工作原理
热电偶测温的主要优点
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