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热电偶根本学问先容

日期:2019-11-28 18:13 来源: 流量仪表

  热电偶基础知识介绍_工学_高等教育_教育专区。热电偶传感器介绍 ? 在工业生产过程中,温度是需要测量和控制的重要参 数之一。在温度测量中,热电偶的应用极为广泛,它 具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯 性小和输出信号便于远传等许多优点

  热电偶传感器介绍 ? 在工业生产过程中,温度是需要测量和控制的重要参 数之一。在温度测量中,热电偶的应用极为广泛,它 具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯 性小和输出信号便于远传等许多优点,在温度测量中 占有重要的地位。其测温范围较宽,一般为-50~ 1600℃,最高的可达到3000℃。 ? 另外,由于热电偶是一种有源传感器,测量时不需外 加电源,使用十分方便,所以常被用作测量炉子、管 道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。 2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 1 一、 热电偶的测温原理 先看一个实验——热电偶工作原理演示 热电极A 左端称为: 测量端(工 作端、热端) 热电势 A 热电极B 右端称为: 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。 2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 2 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(说明什 么?),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(又说明什么?)。 ? 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。 2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 3 通过以上演示得出结论——有关热电偶热电势的讨论 ? 将两种不同的导体(或半导体)A、B组合成闭合回路。 若两结点处温度不同,则回路中将有电流流动,即回 路中有热电动势存在。 ? 此电动势的大小除了与材料本身的性质有关以外,还 决定于结点处的温差,这种现象称为热电效应或塞贝 克效应。 ? 热电偶就是根据此原理设计制作的将温差转换为电势 量的热电式传感器。热电效应产生的热电势是由接触 电势和温差电势两部分组成的。 2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 4 (一)接触电势 ? 产生原因: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,从而产生接触电势: A + eAB(T) 自 由 电 子 kt NAt E AB (t ) ? ln e NBt k:波尔兹曼常数; ? e:单位电荷电量; T B NAT 、 NBT :温度为 T 时 , 导体 A 、 B 的自由电子密度。 第四章 非电量的电测技术 5 2016/10/27 (二)温差电动势 ? 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。 温度的影响 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! 2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 6 定义:同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电 势——温差电动势 ? 同一导体的两端温度不同时, 高温端的电子能量要比低温 端的电子能量大, 因而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, 低温端因获得多余的电子而带负电, 形成一个静电场, 该静电场阻止电子继续向低温端迁移,最后达到动态平衡。 因此, 在导体两端便形成温差电势,公式: ?EA(t,t0)=UAt-UAt0 E A (t , t0 ) ? U At ? U At 0 ?考虑:如果同一导体各点温度相同,即t=t0,则回路总电 动势必为零? 2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 7 k t 1 d ( N At , t ) ? ? dT e t 0 N At dt (三)热电偶回路的热电势 ? 热电偶回路中总的热电势应是接触电势与温差电势之 和。 EA(t,t0) A(+) , t EAB(t) B(-) t0 EAB(t0) EB(t,t0) tt0,NANB EAB(t,t0)=EAB(t) +EB(t,t0) -EAB(t0)-EA(t,t0) 经实践证明,在热电偶中起主要作用的是接触电动势,温差 电动势只占极小部分。可以忽略不计: t EAB(t,t0)= EAB(t)-EAB(t0) 2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 N At k ? ? ln dT e t 0 N Bt 8 EAB(t,t0)= EAB(t)-EAB(t0) ? 综上所述,如下结论: 1. 热电偶回路中热电动势的大小,与组成热电偶的导 体材料和两接点的温度有关,而与热电偶的形状尺 寸无关。当热电偶两电极材料固定后,热电动势便 是两接点温度为t和t0时的函数差: E AB (t, t 0 ) ? f(t) - f(t 0 ) 2. 对于已选定的热电偶, 当参考端温度t0恒定时, EAB(t0)为常数,则总的热电动势就只与温度t成单值 函数关系, 即 EAB(t,t0)=EAB(t)-C=φ (t) 第四章 非电量的电测技术 9 2016/10/27 (四)实际应用 ? 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。 ? 目前热电偶统一规定在T0=0℃的条件下,给出测量 端温度与热电势的数值对照表,即分度表自由端(约 束条件:冷端温度必须为0 ℃ )。实际测温时,根 据测出的热电势可通过查对应的分度表,查得所测的 温度值。 ? 本教材p366的附录列出了工业中常用的分度表 2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 10 二、有关热电偶的几点结论 ? 规定:EAB(t,t0)的含义,按位置顺序 ? ? ? ? A表示热电偶正极;B表示负极 t表示测量端温度;t0表示冷端温度; 符号变化,位置规定的含义不变。 EAB(t,t0)=-EBA(t,t0)=-EAB(t0,t) ? 解释:当NANB,A为正极,B为负极。脚注AB的顺序表 示电动势的方向。当脚注顺序改变时,电动势前面的 符号(+、-)随之改变。 利用热电偶作为传感器来检测温度时,必须在热电偶回路中引入显示或记录仪表, 并用连接导线将它们连接起来,因此必须掌握下面的基本定律,以保证能够正确 的选择和使用热电偶。 2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 11 ? 1)热电势的大小仅与材料的性质及其两端点的温度 有关,而与热电偶的形状、大小无关。 ? 烧断的热电偶可重新焊接,用于测温。 ? 2)如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质 导体,则无论两结点温度如何,热电偶回路内的总热 电势为零——均质导体定律 ? 必须采用两种不同的材料作为热电极。 k t N At E AB (t , t0 ) ? ? ln dT ? 0 e t 0 N At ∵温差电动 势只占极小 部分 12 2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 ? 3)如果热电偶两结点温度相等t=t0,热电偶回路内的总 k t N At E AB (t , t0 ) ? ? ln dT ? 0 e t 0 N Bt ? 4)热电偶AB的热电势与A、B材料的中间温度无关,只与 结点温度有关。 ? 5)中间导体定律 ? 电势亦为零。 利用热电偶进行测温, 必须在回路中引入连接导线和 仪表, 接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势 呢? +A t0 C t0 ?中间导体定律:在热电偶测 t B 2016/10/27 温回路内, 接入第三种导体C, 只要其两端温度相同, 则对回 路的总热电势没有影响。 第四章 非电量的电测技术 13 ? 证明:中间导体定律 由于温差电势可忽略不计, 则回路中的总热电势等于 各接点的接触电势之和。即?? EABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(T0)+eCA(T0) (*)?? 当T=T0时,有 EABC(T0)=eAB(T0 )+eBC(T0)+eCA(T0)=0? 由此得eAB(T0 )=-eBC(T0)-eCA(T0)=0 代入(*)式 EABC(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)=eAB(T,T0) 同理,加入第四、第五种导体后,只要加入的导体两端温 度相等,同样不影响回路中的总热电势。 ? 2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 14 ? 利用热电偶测温时,连接导线和显示仪表等均可看成中间导体。 根据中间导体定律只要保证连接导线和显示仪表各自两端的温度 相同,则对热电偶的热电势没有影响。因此中间导体定律对热电 偶的实际应用有十分重要的意义。图利用中间导体定律制成开路 电偶测量金属和金属壁面的温度。 ? 根据此定律,除可在热电偶测温回路中接入各种类型的显示仪表 或调节器外,也可以推广到对液态金属材料和固态金属材料表面 的温度测量,如图所示。有时为了提高测量精度,或者为了使用 上的方便,将热电极A和B直接插入液态金属或焊在固体金属表面 上。例如,用热电偶连续测量铁水的温度就是这样的。在连续测 量过程中,热电极不断地被铁水熔掉,而根据这个定律,就不需 要先焊接了。 M M T 0 A 2016/10/27 连 接 B 金 属 壁 面 第四章 非电量的电测技术 热 电 15 液 态 ? 6)标准电极定律 ? 当结点温度为t, t0时,用导体A,B组成的热电偶 的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势 的代数和。 如图,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 t + + EAC (t,t 0 ) ? EAC (t)- EAC (t0 ) EBC (t,t 0 ) ? EBC (t)- EBC (t0 ) t + t 那么,导体A与B组成的热电偶,其 热电动势可由下式求得: B A C B C A E AB (t,t 0 ) ? E AC (t,t 0 ) - E BC (t,t 0 ) t0 2016/10/27 t0 t0 第四章 非电量的电测技术 16 应用:标准电极定律是一个极为实用的定律。 ? 纯金属的种类很多,合金类型更多。要得出这些金属 之间组合而成热电偶的热电动势,工作量极大。由于 铂的物理、化学性质稳定,熔点高,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表4-2,则各种金属之 间相互组合而成的热电偶的热电动势可直接计算。 ? 例如:热端为100℃,冷端为0℃时,镍铬合金与纯铂 组成的热电偶的热电动势为2.95mV,考铜与纯铂组成 的热电偶的热电动势为-4.0mV;则镍铬和考铜组合成 的热电偶所产生的热电动势: ? 2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV 用于制造铂热电偶 的各种铂热电偶丝 2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 17 三、热电偶冷端温度补偿 ? 热电效应的原理可知,热电偶产生的热电动势与 两端温度有关。只有将冷端的温度恒定,热电动 势才是热端温度的单值函数。 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?C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?C,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?C,热电势总是偏 小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失 。 2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 18 (一)补偿导线法 ? 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。 ? 所谓补偿导线:实际上是一对材料化学成分不同的导 线℃温度范围内与配接的热电偶有一致 的热电特性,但价格相对要便宜。若利用补偿导线, 将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所(如仪表室), 其实质是相当于将热电极延长。 2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 19 补偿导线 第四章 非电量的电测技术 20 补偿导线外形 A’ B’ 屏蔽层 保护层 2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 21 在使用延长线时的应注意以下几方面: ? ①各种延长线只能与相应型号的热电偶配用,而且必 须在规定的温度范围内使用; ? ②注意极性,不能接反,否则会造成更大的误差; ? ③延长线与热电偶连接的两个结点,其温度必须相同。 2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 22 例:采用镍铬-镍硅热电偶测量炉温。热端温度为800℃,冷端温度为 50℃。为了进行炉温的调节及显示,必须将热电偶产生的热电动势信 号送到仪表室,仪表室的环境温度恒为20℃。 由镍铬-镍硅热电偶分度表查出它在冷端温度为0℃,热端温度为 800℃时的热电动势为E(800,0)=33.275mV;热端温度为50℃时的 热电动势为E(50,0)=2.023mV;热端温度为20℃时的热电动势为 E(20,0)=0.798mV。 如果热电偶与仪表之间直接用铜导线连接,根据中间导体定律,输入 仪表的热电动势为:E(800,50)=E(800,0)-E(50,0)=(33.2772.022)mV=31.255mV(相当于751℃)。 如果热电偶与仪表之间用补偿导线连接,相当于将热电偶延伸到仪表 室,输入仪表的热电动势为:E(800,20)=E(800,0)-E(20, 0)=(33.277-0.798)mV=32.479mV(相当于781℃)。与炉内的真实温 度相差分别为: 751℃-800℃=-49℃ 2016/10/27 781℃-800℃=-19℃ 可见,补偿导线的作用是很明显的。 第四章 非电量的电测技术 23 例4-8 2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 24 (二)冷端恒温法 ? A、0℃恒温器 ? 将热电偶的冷端置于温度为0℃的恒温器内(如冰水混 合物),使冷端温度处于0℃。这种装置通常用于实验 室或精密的温度测量。 在冰杯中,冰水混合物的温 度能较长时间地保持在0?C 不变。 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。 2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 25 B、其他恒温器 ? 将热电偶的冷端置于各种恒温器内,使之保持温度恒 定,避免由于环境温度的波动而引入误差。这类恒温 器可以是盛有变压器油的容器,利用变压器油的热惰 性恒温;也可以是电加热的恒温器。这类恒温器的温 度不为0℃,故最后还需对热电偶进行冷端温度修正。 1—被测流体管道 2—热电偶 3—接线—铜质导 线/27 第四章 非电量的电测技术 26 (三)冷端温度的修正计算 ? 当热电偶的冷端温度t0≠0℃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)EAB(t,0℃)。下 式计算并修正测量误差: ? EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0) EAB(t,0)为热电偶热端温度为t,冷端 温度为0℃时的热电动势; EAB(t,t0)为热电偶热端温度为t,冷端 温度为t0时的热电动势; EAB(t0,0)为热电偶热端温度为t0,冷 端温度为0℃时的热电动势。 2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 27 例:用镍铬-镍硅热电偶测炉温,当冷端温度为30℃ (且为恒定时),测出热端温度为t时的热电动势为 39.17mV,求炉子的真实温度。 ? 由镍铬-镍硅热电偶分度表查出E(30,0)=1.203mV根 据公式计算出 ? 再通过分度表查出其对应的实际温度为:t=977℃ 2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 28 (四)电桥补偿法 XT-WBC热电偶端补偿器 ? 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。 第四章 非电量的电测技术 29 2016/10/27 四、常用热电偶及其特性 国际电工委员会1975年向世界各国推荐七种标准型热电 偶。我国生产的符合IEC标准的热电偶有六种,书上介绍: 1. 铂铑10-铂热电偶 这种热电偶分度号为“S”。它的正极是铂铑丝(铂90%, 铑l0%),负极是纯铂丝。测温范围为0~1700℃。其特点是热电性能稳定,抗氧化性强, 宜在氧化性、惰性气氛中工作。由于精度高,故国际温标中规定它为 630.74~1064.43℃温度范围内复现温标的标准仪器。常用作标准热电偶或用于高温测 量。 这种热电偶分度号为“K”。它的正极是镍铬合金(镍 90.5%,铬9.5%),负极为镍硅(镍97.5%,硅2.5%)。测温范围为-200~+1300℃。其特 点是测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大及价格低。缺点是热 电动势的稳定性较B型或S型热电偶差,且负极有明显的导磁性。 这种热电偶分度号为“E”。它的正极是镍铬合金, 负极是铜镍合金(铜55%,镍45%)。测温范围为-200~+1000℃。其特点是热电动势较其 他常用热电偶大。适宜在氧化性或惰性气氛中工作。 这种热电偶分度号为“B”。它的正极是铂铑丝(铂 70%,铑30%),负极也是铂铑丝(铂94%,铑6%),故俗称双铂铑。测温范围为 0~1700℃。其特点是测温上限高。在冶金反应、钢水测量等高温领域中得到了广泛的 应用。 2. 镍铬-镍硅热电偶 3. 镍铬-锰白铜热电偶 4. 铂铑30-铂铑6热电偶 2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 30 K热电偶的分 度表 比较查出的 三个热电势, 热电势是否 线 第四章 非电量的电测技术 31 ?如何由热电偶的热电势查热端温度值? 设冷端为0?C,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。 2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 32 五、 热电偶常用测量电路 ? 热电偶测温时, 它可以直接与显示仪表(如电子电位 差计、 数字表等)配套使用, 也可与温度变送器配套, 转换成标准电流信号, 图为典型的热电偶测温线 第四章 非电量的电测技术 33 如用一台显示仪表显示多点温度时, 可按图连接, 这 样可节约显示仪表和补偿导线 第四章 非电量的电测技术 34 特殊情况下, 热电偶可以串联或并联使用, 但只能是 同一分度号的热电偶, 且参考端应在同一温度下。如 热电偶正向串联, 可获得较大的热电势输出和提高灵 敏度。在测量两点温差时, 可采用热电偶反向串联。 利用热电偶并联可以测量平均温度。 串联 2016/10/27 反向串联 并联 第四章 非电量的电测技术 35 六、应用 1、普通装配型热电偶 普通型结构热电偶工业上使用最多, 它一般由热电 极、绝缘套管、保护管和接线 第四章 非电量的电测技术 36 普通装配型热电偶的外形 安装螺纹 安装法兰 2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 37 接线盒 普通装配型热电偶 的结构放大图 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) 2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 38 2、铠装热电偶 ? 铠装热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、 绝 缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体, 它可以做得很细很长, 使用中随需要能任意弯曲。铠 装热电偶的主要优点是测温端热容量小, 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, 因 此被广泛用在许多工业部门中。 2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 39 铠装型热电偶外形 铠装型热电偶可 上百米 长达 绝缘 材料 薄壁金属 保护 套管(铠体) 铠装型热电偶横截面 A B 第四章 非电量的电测技术 40 法兰 2016/10/27 作业: ? 几个定律的证明:例4-5、例4-6、例4-7 2016/10/27 第四章 非电量的电测技术 41

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