熱電偶產(chǎn)生熱電勢的必要條件.ppt

主要內(nèi)容 1 熱電偶2 熱敏電阻3 集成溫度傳感器 3 5熱電式傳感器 3 5熱電式傳感器 我國目前實行的是1990年國際溫標 ITS 90 定義國際開爾文溫度 T90 國際攝氏溫度 t90 T90 單位 K 開爾文t90 單位 C 攝氏兩者關系為 t90 T90 K 273 15或t T K 273 15 溫度單位 熱力學溫度是國際上公認的最基本溫度 3 5熱電式傳感器 溫度是諸多物理現(xiàn)象中具有代表性的物理量 現(xiàn)代生活中準確的溫度是不可缺少的信息內(nèi)容 如家用電器有 電飯煲 電冰箱 空調(diào) 微波爐這些家用電器中都少不了熱電式傳感器 概述 3 5熱電式傳感器 熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量的裝置 它是利用某些材料或元件的性能隨溫度變化的特性來進行測量的 例如將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻 熱電動勢 熱膨脹 導磁率等的變化 再通過適當?shù)臏y量電路達到檢測溫度的目的 概述 3 5熱電式傳感器 概述各種熱電偶 3 5熱電式傳感器 概述各種熱電阻 3 5熱電式傳感器 熱電式傳感器按工作原理主要有以下幾類 熱電偶 利用金屬溫差電動勢 有耐高溫 精度高的特點 熱電阻 利用導體電阻隨溫度變化 測溫不高 熱敏電阻 利用半導體材料隨溫度變化測溫 體積小 靈敏度高 穩(wěn)定性差 集成溫度傳感器 利用晶體管PN結(jié)電流 電壓隨溫度變化 有專用集成電路 體積小 響應快 價廉 測量150 以下溫度 概述 3 5 1熱電偶1熱電效應 兩種不同類型的金屬導體兩端 分別接在一起構成閉合回路 當兩個結(jié)點溫度不等 T T0 有溫差時 回路里會產(chǎn)生熱電勢 形成電流 這種現(xiàn)象稱為熱電效應 利用這種效應 只要知道一端結(jié)點溫度 就可以測出另一端結(jié)點的溫度 3 5 1熱電偶1熱電效應 固定溫度的接點稱基準點 冷端 T0 恒定在某一標準溫度 待測溫度的接點稱測溫點 熱端 T 置于被測溫度場中 這種將溫度轉(zhuǎn)換成熱電動勢的傳感器稱為熱電偶 金屬稱熱電極 3 5 1熱電偶1熱電效應 1 兩種導體的接觸電勢 珀爾帖效應 不同金屬自由電子密度不同 當兩種金屬接觸在一起時 在結(jié)點處會產(chǎn)生電子擴散 濃度大的向濃度小的金屬擴散 濃度高的失去電子顯正電 濃度低的得到電子顯負電 當擴散達到動態(tài)平衡時 得到一個穩(wěn)定的接觸電勢 3 5 1熱電偶1熱電效應 溫度T時熱端接觸電勢 冷端 T0 接觸電勢 3 5 1熱電偶1熱電效應 在閉合回路中 總的接觸電勢為 3 5 1熱電偶1熱電效應 2 單一導體的溫差電勢 湯姆遜電勢 對單一金屬如果兩邊溫度不同 兩端也產(chǎn)生電勢 產(chǎn)生這個電勢是由于導體內(nèi)自由電子在高溫端具有較大的動能 會向低溫端擴散 由于高溫端失去電子帶正電 低溫端得到電子帶負電 3 5 1熱電偶1熱電效應 A B兩導體構成閉合回路總的溫差電勢為 3 5 1熱電偶1熱電效應 根據(jù)兩導體的接觸電勢 珀爾帖電勢 和單一導體溫差電勢 湯姆遜電勢 熱電偶總的熱電勢為 3 5 1熱電偶1熱電效應 結(jié)論 熱電偶兩電極材料相同 NA NB時 無論兩端點溫度如何 總熱電勢為零 2 如果熱電偶兩接點溫度相同 T T0時 A B材料不同 回路總電勢為零 熱電偶產(chǎn)生熱電勢的必要條件 熱電偶必須用不同材料做電極 在T T0兩端必須有溫差梯度 3 5 1熱電偶2熱電偶基本定律 1 均質(zhì)導體定律兩種均質(zhì)導體 其電勢大小與熱電極直徑 長度及沿熱電極長度上的溫度分布無關 只與熱電極材料和兩端溫度有關 材質(zhì)不均勻 則當熱電極上各處溫度不同時 將產(chǎn)生附加熱電勢 造成無法估計的測量誤差 均質(zhì)導體定律解決什么問題 3 5 1熱電偶2熱電偶基本定律 2 中間導體定律如果將熱電偶T0端斷開 接入第三導體C 回路中電勢EAB T T0 應寫為 中間導體定律解決什么問題 3 5 1熱電偶2熱電偶基本定律 代入上式有 2熱電偶基本定律 結(jié)論 當引入第三導體C時 只要C導體兩端溫度相同 回路總電勢不變 根據(jù)這一定律 將導體C作為測量儀器接入回路 就可以由總電勢求出工作端溫度 條件是 保證兩端溫度一致 3 5 1熱電偶2熱電偶基本定律 3 參考電極定律 中間溫度定律 當結(jié)點溫度為T T0時的熱電勢EAB T T0 等于結(jié)點溫度T Tc和Tc T0時 熱電勢 中間溫度定律解決什么問題 3 5 1熱電偶3熱電偶的溫度補償 熱電偶輸出的電熱是兩結(jié)點溫度差的函數(shù) 為了使輸出的電勢是被測溫度的單一函數(shù) 一般將T作為被測溫度端 T0作為固定冷端 參考溫度端 通常要求T0保持為0 恒定 但是在實際使用中要做到這一點比較困難 因而產(chǎn)生了熱電偶冷端溫度補償問題 3 5 1熱電偶3熱電偶的溫度補償 1 0 恒溫法即在標準大氣壓下 將清潔的水和冰屑混合后放在保溫容器內(nèi) 可使T0保持0 近年來已研制出一種能使溫度恒定在0 的半導體致冷器件 2 補正系數(shù)修正法利用中間溫度定律可以求出T0 0時的電勢 該法較精確 但繁瑣 因此 工程上常用補正系數(shù)修正法實現(xiàn)補償 設冷端溫度為Tn 此時測得溫度為T1 儀表測得溫度 其實際溫度應為 T T1 kTn式中k 補正系數(shù) K值確定的方法 K值就是0 到100 的電勢差作為1 其它高于100 溫度范圍的數(shù)值就將兩相近的100 的電勢差與0一100 者相比便可知 例1 鉑銠一鉑熱電偶0 一100 的電勢差為 0 645mV或K 1 0 100 200 溫度范圍內(nèi)電勢差為0 795mv k值應為0 645 0 795 0 81 其余類推 用一只分度號為S的鉑銠一鉑熱電偶與相應分度的動圈儀表測量爐溫 當儀表指針指示溫度為1000 用水銀計測出熱電偶冷端溫度t 為30 時 則被測爐溫的真實溫度應為多少 例2 用K值法t 1000 0 56 30 1016 8 若忽略了溫度補正系數(shù)K值 將儀表指示溫度直接加上冷端溫度就會帶來較大的誤差 3 5 1熱電偶3熱電偶的溫度補償 3 延伸熱電極法 即補償導線法 熱電偶長度一般只有一米左右 在實際測量時 需要將熱電偶輸出的電勢傳輸?shù)綌?shù)十米外的顯示儀表或控制儀表 根據(jù)中間導體定律即可實現(xiàn)上述要求 一般選用直徑粗 導電系數(shù)大的材料制作延伸導線 以減小熱電偶回路的電阻 節(jié)省電極材料 3 5 1熱電偶3熱電偶的溫度補償 該法利用不平衡電橋產(chǎn)生的電壓來補償熱電偶參考端溫度變化引起的電勢變化 電橋四個橋臂與冷端處于同一溫度 其中R1 R2 R3為錳銅線繞制的電阻 R4為銅導線繞制的補償電阻 E是電橋的電源 R為限流電阻 阻值取決于熱電偶材料 4 補償電橋法 使用時選擇R4的阻值使電橋保持平衡 電橋輸出Uab 0 當冷端溫度升高時 R4阻值隨之增大 電橋失去圖示補償電橋法示意圖平衡 Uab相應增大 此時熱電偶電勢Ex由于冷端溫度升高而減小 若Uab的增量等于熱電偶電勢Ex的減小量 回路總的電勢Uab的值就不會隨熱電偶冷端溫度變化而變化 即 UAB EX Uab 3 5 1熱電偶4熱電偶的結(jié)構和種類 結(jié)構 普通熱電偶 測量氣體 蒸汽 液體等 棒形結(jié)構 薄膜熱電偶 用于火箭 飛機噴嘴溫度測量 結(jié)構較薄 鎧裝熱電偶 用以測量狹小對象 結(jié)構細長 可彎曲 表面熱電偶 用于弧形表面物體測溫 消耗式熱電偶 主要用于鋼水溫度測量 a 普通熱電偶b 薄膜熱電偶c 鎧裝熱電偶 熱電偶的結(jié)構形式 熱電偶廣泛應用于各種條件下的溫度測量 尤其適用于500 以上較高溫度的測量 普通型熱電偶和鎧裝型熱電偶是實際應用最廣泛的兩種結(jié)構 普通型熱電偶 普通型熱電偶主要由熱電極 絕緣管 保護套管和接線盒等主要部分組成 貴重金屬熱電極的直徑一般為0 3 0 65mm 普通金屬熱電極的直徑一般為0 5 3 2mm 熱電極的長度由安裝條件和插入深入而定 一般為350 2000mm 絕緣管用于防止兩根電極短路 保護套管用于保護熱電極不受化學腐蝕和機械損傷 材料的選擇因工作條件而定 普通型熱電偶主要有法蘭式和螺紋式兩種安裝方式 鎧裝型熱電偶 鎧裝型熱電偶是由熱電極 絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)過拉伸加工成型的 金屬套管一般為銅 不銹鋼 鎳基高溫合金等 保護套管和熱電極之間填充絕緣材料粉末 常用的絕緣材料有氧化鎂 氧化鋁等 鎧裝型熱電偶可以做得很細 一般為2 8mm 在使用中可以隨測量需要任意彎曲 鎧裝熱電偶具有動態(tài)響應快 機械強度高 抗震性好 可彎曲等優(yōu)點 可安裝在結(jié)構較復雜的裝置上 應用十分廣泛 3 5 1熱電偶4熱電偶的結(jié)構和種類 熱電偶種類 貴金屬熱電偶鉑銠 鉑銠 600 1700 鉑銠 鉑 0 1600 普通金屬熱電偶鎳鉻 鎳硅 200 1200 鎳鉻 鎳銅 40 750 鐵 康銅 0 400 熱電偶可以測量上千度高溫 并且精度高 性能好 這是其它熱電式傳感器無法替代的 3 5 1熱電偶5熱電偶測量電路 通過查熱電偶分度表可知熱電偶產(chǎn)生的熱電勢 例如K型 0 時0mV 600 時E 24 902mv 分度表以t 0 作