第7章智能控制

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第,7,章 热电偶传感器,第,7,章 热电偶传感器,热电偶的工作原理,常用热电偶及结构,热电偶冷端温度补偿,一、热电效应,7-1,热电偶的工作原理,把两种不同导体或半导体的这种组合称为热电偶，,A,和,B,称为热电极。温度高的接点称为热端（或工作端），温度低的接点称为冷端（或自由端）。,把两种不同导体,(,或半导体,),材料,A,、,B,连接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，回路中将会产生热电动势,(,称为热电势,),，这种现象称为热电效应。,T,T,0,A,B,E,AB,(T,T,0,),2,热电偶工作原理演示,当两个接点温度不相同时，回路中将产生热电动势。热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定。,热,电极,A,自由端（参考端、冷端）,测量端,（工作端、热端）,热,电极,B,热电势,A,B,3,（一）接触电势,e,AB,(,T,),导体,A,、,B,结点在温度,T,时形成的接触电动势；,e,单位电荷，,e,=1.610,-19,C,；,k,波尔兹曼常数，,k,=1.3810,-23,J/K,；,n,A,、,n,B,导体,A,、,B,在温度为,T,时的电子密度。,可见，接触电势的大小与温度高低及导体的电子密度有关。,在不同导体的接触面上，因自由电子密度不同而发生电子扩散，导体,A,失去电子带正电荷，导体,B,则带负电荷。达到平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差,接触电势。,4,e,A,(,T,，,T,0,),导体,A,两端温度为,T,、,T,0,时形成的温差电动势；,T,，,T,0,高低温端的绝对温度；,A,汤姆逊系数，表示导体,A,两端的温度差为,1,时所产生的温差电动势,与两端温度及材料性质有关。,+,+,+,A,e,A,(,T,T,o,),-,-,-,T,T,0,导体内自由电子在高温端具有较大动能，向低温端扩散，使高温端带正电荷，低温端带负电荷。达到平衡时，在导体两端产生电位差,温差电势。,（二）温差电势,5,n,AT,/n,AT0,，,n,BT,/n,BT0,导体,A/B,在结点温度为,T,和,T,0,时的电子密度,A,/,B,导体,A/B,的汤姆逊系数。,等于整个回路中各接触电势与各温差电势的代数和,温差电势很小，上式中起决定作用的是接触电势。,（三）热电偶回路总的热电势,6,结论：,如果,A,和,B,两导体的材料相同，即,n,A,=,n,B,，,A,=,B,，即使两端温度,T,、,T,0,不同，总热电势也为零，因此热电偶必须用两种不同成分的材料做热电极。,如果热电偶的两电极材料不同，但热电偶的两端温度相同，即,T,T,0,，总的热电势也为零。,热电势的大小仅与热电极材料的性质、两个接点的温度有关，与热电偶的尺寸及形状无关。,7,综上所述，热电动势的大小只与材料和接点温度有关，如果冷端温度固定，则热电偶的热电势就是被测温度的单值函数。只要测出热电势的大小，就能得到被测温度,T,，这就是利用热电偶测温的原理。,8,热电偶的分度表,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，一般通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即,分度表,。,直接使用分度表的约束条件：冷端温度为,0,C,。,分度表每,10,分档。中间值按内插法计算。,E,M,、,E,H,、,E,L,分别为被测温度,t,M,、较高温度,t,H,、较低温度,t,L,对应的热电势。,9,S,型,(,铂铑,10,-,铂,),热电偶分度表,比较,3,个热电势，热电势与温度是否线性？,10,问题：利用热电偶测温，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？,二、热电偶基本定律,（一）中间导体定律,在热电偶测温回路内接入第三种导体，只要第三种导体的两端温度相同，对回路的总热电势没有影响。,用途：,T,0,A,B,T,C,T,0,T,0,A,B,T,C,T,1,T,1,B,同理，第,4,种，第,5,种,11,在热电偶测温回路中，测量仪表（如毫伏表、电位差计）与连接导线可以看作第三种导体，不影响回路中原来的热电势。,中间导体定律的用途：,12,导体,C,称为标准电极,当接点温度为,T,T,0,时，用导体,A,，,B,组成的热电偶产生的热电动势等于,A,、,C,热电偶和,C,、,B,热电偶热电势的代数和。,意义：,（二）,标准电极定律,13,标准电极定律的意义：,通常选用高纯铂丝作标准电极,只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出来。从而减少了热电偶分度表的工作量。,例：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,，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为,4.0mV,，则镍铬和考铜组成的热电偶所产生的热电动势应为：,2.95,(,4.0)=6.95(mV),14,（三）连接导体定律与中间温度定律,A,、,B,热电偶，,A,、,B,连接导线，,回路的总热电势：,E,ABB,A,（,T,T,n,T,0,）,=,E,AB,（,T,T,n,）,+,E,A,B,（,T,n,T,0,）,上式为连接导体定律的数学表达式,T,n,B,B,A,T,n,T,T,0,A,当,A,与,A,、,B,与,B,材料分别相同时，上式为：,E,AB,(T,T,n,T,0,)=,E,AB,(,T,T,n,)+,E,AB,(,T,n,T,0,),上式为中间温度定律的数学表达式,意义：,15,A,B,T,T,n,T,n,A,B,T,0,T,0,热电偶补偿导线接线图,E,工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础。,只要,T,、,T,0,不变，接入,AB,后不管接点温度,T,n,如何变化，都不影响总热电势,引入补偿导线原理。,连接导体定律的意义：,E,ABB,A,（,T,T,n,T,0,）,=,E,AB,（,T,T,n,）,+,E,A,B,（,T,n,T,0,）,16,为制定热电偶分度表奠定了理论基础。,热电偶分度表：每一个电势值对应的温度是在冷端为,0,的情况下获得的。,只要得到冷端为,0,时的热电势，就可求出冷端不为,0,时的热电势。,T,n,为中间温度，当,T,0,=0,，,T,n,已知时：,查分度表得出,中间温度定律的意义：,E,AB,(T,T,n,)=,E,AB,(,T,0),E,AB,(,T,n,，,0),E,AB,(T,0)=,E,AB,(,T,T,n,)+,E,AB,(,T,n,，,0),查分度表得出,分度表,E,AB,(T,T,0,)=,E,AB,(,T,0),E,AB,(,T,0,，,0),17,用镍铬,-,镍硅热电偶测量温度，已知冷端温度,T,0,=20,，测得热电势,E,AB,(T,T,0,),为,19.633mV,求被测温度,T,。,解：,使用分度表举例,查镍铬,-,镍硅热电偶分度表得,E,AB,(,T,0,0),E,AB,(20,0),0.798,E,AB,(,T,0)=,E,AB,(T,T,0,)+,E,AB,(,T,0,0),=19.633+0.798=20.431mV,由分度表得温度,T,495,18,7-2,常用热电偶及结构,一、常用热电偶,八种国际通用热电偶：,S:,铂铑,10,铂、,B:,铂铑,30,铂铑,6,、,R:,铂铑,13,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,写在前面的热电极为,正极,，写在后面的热电极为,负极,。,铂铑,10,表示该合金含,90,的铂及,10,的铑。,19,铂铑,10,-,铂热电偶（,S,型）,贵金属热电偶,。电极线径规定为,0.5mm,，,正极（,SP,）的名义化学成分为铂铑合金,负极（,SN,）为纯铂，故俗称为单铂铑热电偶。,长期最高使用温度为,1300,，短期最高使用温度为,1600,。,优点：,准确度高，稳定性好，测温温区和使用寿命长，物理化学性能良好，在高温下抗氧化性能好，适用于氧化和惰性气氛中。,缺点：,热电势较小，灵敏度低；高温下易受还原气体和金属蒸汽的侵害；贵金属材料昂贵。,20,镍铬,-,镍硅热电偶（,K,型）,使用量最大的廉价金属热电偶，用量为其他热电偶的总和,优点：,线性度好，热电势较大，灵敏度较高，稳定性和复现性均好，抗氧化性强，价格便宜。能用于氧化性和惰性气氛中。,K,型热电偶不能在高温下直接用于硫、还原性或还原、氧化交替的气氛中，也不能用于真空中。,21,名称,分度号,测温范围,适用气氛,稳定性,铂铑,30,-,铂铑,6,B,2001800,氧化、中性,1500,良,铂铑,13,-,铂,R,-401600,氧化、中性,1400,良,铂铑,10,-,铂,S,镍铬,-,镍硅,K,-2701300,氧化、中性,中,镍铬硅,-,镍硅,N,-2701260,氧化、中性,还原、,良,镍铬,-,铜镍,E,-2701000,氧化、中性,中,铁,-,铜镍,J,-40760,氧化、中性,还原、真空,500,差,铜,-,铜镍,T,-270350,-170200,优,工业热电偶分类及性能,22,常用热电偶的热电势与温度的关系曲线,灵敏度较高的是？,为什么所有的曲线均过原点（零度点）？,灵敏度较低的是？,E,、,J,、,T,、,K,、,N,R,、,S,、,B,因为冷端置于,0,，则热端也为,0,时，热电势为,0,。,23,二、常用热电偶的结构形式,4,3,2,1,（一）普通装配型热电偶,热电极,绝缘套管,(,防止两个热电极在中间位置短路,),保护套管,(,使热电极免受化学侵蚀及机械损伤,),接线盒,(,连接导线通过接线盒与热电极连接,),24,普通装配型热电偶外形,安装法兰,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,25,铠装热电偶是将热电极、绝缘材料连同金属保护套管,起拉制成型，可做得很细、很长，其外径可小到,0.25mm,，长度可达,100m,以上，且可以弯曲。,铠装热电偶种类多，其测量端有碰底型、不碰底型、露头型和帽型等几种形式。,（二）铠装式热电偶,(a),碰底型；,(b),不碰底型；,(c),露头型；,(d),帽型,铠装式热电偶断面结构示意图,26,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。,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，且具有热容量小，响应速度快，可弯曲、抗震、超长等优点。,27,铠装型热电偶可 长达上百米,B,A,绝缘 材料,铠装型热电偶外形,法兰,薄壁金属 保护套管（铠体）,横截面,28,（三）薄膜热电偶,其热接点既小又薄,(0.010.lm,厚,),热容量小，响应速度快,适用于测量瞬变的表面温度和微小面积上的温度。,用真空蒸镀等方法把两种热电极材料分别沉积在绝缘基片上形成的一种快速感温元件。,29,为测量钢水和其他熔融金属温度而设计的热电偶。,用直径为,0.05,0.lmm,的热电极装在,U,型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。这种热电偶使用一次就焚化，优点是热惯性小，测量精度土,5,7,。,1,4,2,3,5,6,7,8,9,11,10,1,钢帽；,2,石英；,3,纸环；,4,绝热泥；,5,冷端；,6,棉花；,7,绝缘纸管；,8,补偿导线；,9,套管；,10,塑料插座；,11,簧片与引出线,（四）消耗型快速热电偶,30,冷端补偿方法：,补偿导线法,冰点槽法,7-3,热电偶冷端温度补偿,原因：,热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；,