2-熱電偶熱電阻.ppt

1、溫度測(cè)量,溫度測(cè)量,熱電偶溫度計(jì) 熱電阻溫度計(jì) 雙金屬溫度計(jì),熱電偶溫度計(jì)以熱電偶作為感溫元件，一般用于測(cè)量500以上的高溫，長(zhǎng)期使用時(shí)其測(cè)溫上限可達(dá)1300，短期使用時(shí)可達(dá)1600，特殊材料制成的熱電偶可測(cè)量的溫度范圍為20003000。 特點(diǎn)：熱電偶具有性能穩(wěn)定、測(cè)溫高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、經(jīng)濟(jì)耐用、容易維護(hù)和體積小等優(yōu)點(diǎn)，還便于信號(hào)遠(yuǎn)傳和實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)切換測(cè)量。 應(yīng)用：電廠生產(chǎn)過(guò)程中的主蒸汽溫度、過(guò)熱器管壁溫度、煙氣高溫等都是采用熱電偶來(lái)測(cè)量的。熱電偶是目前世界上科研和生產(chǎn)中應(yīng)用最普遍、最廣泛的溫度測(cè)量元件。,熱電偶溫度計(jì),一、熱電偶的基本原理,熱電偶測(cè)溫主要利用熱電效應(yīng) 熱電效應(yīng)：兩種不同的

2、導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A和B組成閉合回路，如下圖所示。當(dāng)A和B相接的兩個(gè)接點(diǎn)溫度T和T0不同時(shí)，則在回路中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。由此效應(yīng)所產(chǎn)生的電勢(shì)，通常稱為熱電勢(shì)，用符號(hào)EAB（T，T0）表示。,熱端,冷端,什么是熱電偶？ 圖中的閉合回路稱為熱電偶，導(dǎo)體A和B稱為熱電偶的熱電極。熱電偶的兩個(gè)接點(diǎn)中，置于被測(cè)介質(zhì)（溫度為T(mén)）中的接點(diǎn)稱為工作端或熱端，溫度為參考溫度T0的一端稱為參考端或冷端。 理論和實(shí)踐都證實(shí)，熱電現(xiàn)象中產(chǎn)生的熱電勢(shì) 是由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩種電勢(shì)的綜合效果。,1接觸電勢(shì),T,接觸電勢(shì)原理圖,接觸電勢(shì)：是指兩熱電極由于材料不同而具有不同的自由電子密度，而熱電極接點(diǎn)接

3、觸面處就產(chǎn)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在熱電極接點(diǎn)處便產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定電勢(shì)差。,接觸電勢(shì)用EAB(T)表示，其數(shù)值可用下式表示 式中 e 單位電荷，1.602X10-19C； K波爾茲曼常數(shù)，K=1.3810-23J/K； NA(T)、NB(T)材料A、B在溫度為T(mén)時(shí)的自由電子密度； TA、B接觸點(diǎn)的溫度，K。,結(jié)論： 1.從理論上可以證明該接觸電勢(shì)的大小和方向主要取決于兩種材料的性質(zhì)（電子密度）和接觸面溫度的高低。 2.溫度越高，接觸電勢(shì)越大；兩種導(dǎo)體電子密度比值越大，接觸電勢(shì)也越大。,2溫差電勢(shì),溫差電勢(shì)：同一熱電極兩端因溫度不同而產(chǎn)生的電勢(shì)。 為了分析方便，溫差電勢(shì)可由下面函數(shù)差

4、來(lái)表示：,3. 回路熱電勢(shì) 如果tt0，NA（t）NB（t），則在回路內(nèi)便產(chǎn)生兩個(gè)接觸電勢(shì)eAB(t)和eAB(t0)，兩個(gè)溫差電勢(shì)eA（t，t0）和eB（t，t0），各電勢(shì)的方向如圖所示?；芈返目傠妱?shì)EAB(t,t0)等于回路中各電勢(shì)的代數(shù)和。即,結(jié)論：,1.熱電偶回路熱電勢(shì)的大小只與組成熱電偶的材料和材料兩端連接點(diǎn)所處的溫度有關(guān)，與熱電偶絲的直徑、長(zhǎng)度及沿程溫度分布無(wú)關(guān)。 2.只有用兩種不同性質(zhì)的材料才能組成熱電偶，相同材料組成的閉合回路不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。,3.如果保持熱電偶冷端溫度to恒定不變，對(duì)一定材料的熱電偶，其fAB（t0）亦為常數(shù)，設(shè)為C，則熱電偶的熱電勢(shì)只與熱電偶熱端溫度t有關(guān)，

5、若測(cè)得EAB(t,t0) 值，便可知溫度t值，這就是熱電偶測(cè)溫原理。即 EAB ( t, t0 )=fAB ( t ) C,4.工程上所使用的各種類型的熱電偶均把E(t)和t的關(guān)系制成易于查找的表格形式，這種表格稱為熱電偶的分度表。,需要說(shuō)明的幾個(gè)問(wèn)題： 1.熱電偶的熱電勢(shì)與熱端溫度的關(guān)系一般為非線性關(guān)系。,2.熱電極與熱電勢(shì)的極性 熱電偶的兩個(gè)熱電極有正負(fù)之分。 熱電勢(shì)也有正負(fù)極性之分。,二、熱電偶的基本定律,這些定律已在理論分析和實(shí)踐中得到證明，對(duì)保證熱電偶正確測(cè)量溫度至關(guān)重要。 1均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路中，不論其截面和長(zhǎng)度如何以及沿長(zhǎng)度方向上各處的溫度分布如何，都不能

6、產(chǎn)生熱電勢(shì)。反之，如果回路中有熱電勢(shì)存在則材料必為非均質(zhì)的. 結(jié)論： （1）熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的材料構(gòu)成。 （2）由一種材料組成的閉合回路存在溫差時(shí)，回路如產(chǎn)生熱電勢(shì)，便說(shuō)明該材料是不均勻的。據(jù)此，可檢查熱電極材料的均勻性。,2中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體兩端溫度相同，該導(dǎo)體的引入對(duì)熱電偶回路的總電勢(shì)沒(méi)有影響。 引出結(jié)論：熱電偶回路中接入多種導(dǎo)體后，只要保證接入的每種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則對(duì)熱電偶的熱電勢(shì)沒(méi)有影響。,應(yīng)用： 該定律表明熱電偶回路中可接入各種儀表或連接導(dǎo)線。只要儀表或?qū)Ь€處于穩(wěn)定的環(huán)境溫度，原熱電偶回路的熱電勢(shì)將不受接入儀表或?qū)Ь€的影響。,3中

7、間溫度定律 熱電偶回路中，兩接點(diǎn)溫度分別為T(mén)、T0時(shí)的熱電勢(shì)，等于接點(diǎn)溫度為T(mén)、TN和TN、T0的兩支同性質(zhì)熱電偶的熱電勢(shì)的代數(shù)和。 EAB(T,T0)=EAB(T,TN)+EAB(TN,T0) 作用：該定律為制定和使用熱電偶的熱電勢(shì)-溫度關(guān)系即分度表奠定了理論基礎(chǔ)。,4.熱電偶分度表,不同材料制成的熱電偶在相同溫度下產(chǎn)生的熱電勢(shì)是不同的,可在分度表中查得,分度表中數(shù)據(jù)都是以t0=0的條件下進(jìn)行分度的,配套使用的儀表也是以冷端為0進(jìn)行刻度的,如實(shí)際測(cè)溫時(shí), t0不是0,則熱電勢(shì)與溫度間的關(guān)系可按下式進(jìn)行計(jì)算:,做一做,1用鎳鉻-鎳硅K型熱電偶測(cè)爐溫，當(dāng)冷端溫度為30 (且為恒定時(shí))，測(cè)出熱端溫

8、度為t時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為33.31mV，求爐子的真實(shí)溫度。 解： E(t,30)= 33.31mV 由K型熱電偶分度表查出E(30,0)=1.20mV E(t,0) E(t,30)+ E(30,0)= 34.51mV 再通過(guò)分度表查出其對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度為：t=830,某只鉑銠10鉑（S型）熱電偶測(cè)溫，冷端溫度30，測(cè)得回路熱電勢(shì)為7.385mV，求被測(cè)介質(zhì)溫度。 E(t,30)=7.385mV E(30,0)=0.173mV 根據(jù)中間溫度定律： E(t,0)= E(t,30)+ E(30,0)=7.531 mV 查表t=820,5.熱電偶冷端溫度的修正和處理方法,為什么要對(duì)熱電偶進(jìn)行參考端的溫度處理

9、？ 答：熱電偶的熱電勢(shì)是兩個(gè)接點(diǎn)溫度的函數(shù)差，只有當(dāng)冷端溫度不變時(shí)，熱電勢(shì)才是熱端溫度的單值函數(shù)。但在實(shí)際應(yīng)用中，熱電偶冷端所處環(huán)境溫度總有波動(dòng)，從而使測(cè)量得不到正確結(jié)果，因此必須對(duì)熱電偶冷端溫度變化的影響采取補(bǔ)償措施，使熱電偶的熱電勢(shì)只反映熱端溫度（被測(cè)溫度）的變化，而不受冷端溫度變化的影響。,公式修正法（校正法） 恒溫箱法（冰浴法） 冷端集中補(bǔ)償方法 補(bǔ)償導(dǎo)線法 補(bǔ)償電橋法,1.公式修正法 當(dāng)用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的冷端延長(zhǎng)到某一溫度T0處（通常是環(huán)境溫度），然后再對(duì)冷端溫度進(jìn)行修正。 三個(gè)步驟：測(cè)溫，查表，計(jì)算查表,EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0),做一做,1用鎳

10、鉻-鎳硅K型熱電偶測(cè)爐溫，當(dāng)冷端溫度為30 (且為恒定時(shí))，測(cè)出熱端溫度為t時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為33.31mV，求爐子的真實(shí)溫度。 解： E(t,30)= 33.31mV 由K型熱電偶分度表查出E(30,0)=1.20mV E(t,0) E(t,30)+ E(30,0)= 34.51mV 再通過(guò)分度表查出其對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度為：t=830 思考：采用直接用測(cè)得電勢(shì)查分度表得到溫度值，再加上30 ,計(jì)算得到爐溫的方法對(duì)不對(duì)？為什么？,某只鉑銠10鉑（S型）熱電偶測(cè)溫，冷端溫度30，測(cè)得回路熱電勢(shì)為7.385mV，求被測(cè)介質(zhì)溫度。 E(t,30)=7.385mV E(30,0)=0.173mV 根據(jù)中間溫度

11、定律： E(t,0)= E(t,30)+ E(30,0)=7.531 mV 查表t=820,2.恒溫箱法（冰浴法） （1）把冷端引至冰點(diǎn)槽內(nèi)，維持冷端始終為0，但使用起來(lái)不大方便。,冰點(diǎn)槽法是準(zhǔn)確度很高的冷端處理方法，然而使用比較麻煩，需要保持冰、水兩相共存，一般限于實(shí)驗(yàn)室精確測(cè)溫或熱電偶檢定時(shí)使用。,3.冷端集中補(bǔ)償方法 冷端連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備上，利用計(jì)算機(jī)查表計(jì)算。 一般計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集時(shí)一個(gè)設(shè)備上連接的熱電偶是同型號(hào)的。,圖2-21 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)熱電偶冷端集中補(bǔ)償方法,原理：在一定溫度范圍內(nèi)，與配用熱電偶的熱電特性相同的一對(duì)帶有絕緣層的廉金屬導(dǎo)線為補(bǔ)償導(dǎo)線。,補(bǔ)償導(dǎo)線,補(bǔ)償導(dǎo)線,4.

12、補(bǔ)償導(dǎo)線法,按照補(bǔ)償原理分為補(bǔ)償型及延伸型兩種補(bǔ)償導(dǎo)線 按使用溫度可分為一般用（0100）和耐熱用（0200）,補(bǔ)償導(dǎo)線使用須注意事項(xiàng)如下： 各種補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶匹配使用； 補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接點(diǎn)的溫度，不得超過(guò)規(guī)定的使用溫度范圍； 補(bǔ)償導(dǎo)線的正負(fù)要和熱電偶正負(fù)相連。 由于補(bǔ)償導(dǎo)線與電極材料通常并不完全相同，因此兩連接點(diǎn)溫度必須相同； 在需高精度測(cè)溫場(chǎng)合，處理測(cè)量結(jié)果時(shí)應(yīng)加上補(bǔ)償導(dǎo)線的修正值，以保證測(cè)量精度。,1. 熱電偶結(jié)構(gòu) 普通型、鎧裝型和薄膜型 普通型： （1）熱電極 （2）絕緣套管 （3）保護(hù)套管 （4）接線盒,三、常用熱電偶的材料及特點(diǎn),普通型熱電偶的結(jié)構(gòu),普通型熱電偶

13、的結(jié)構(gòu),2、鎧裝熱電偶 鎧裝熱電偶是由金屬套管、絕緣材料和熱電極經(jīng)拉伸加工而成的堅(jiān)實(shí)組合體。,優(yōu)點(diǎn)：1、熱惰性小反應(yīng)迅速；2、具有良好的機(jī)械性能，可耐強(qiáng)烈的振動(dòng)和沖擊；3、除熱電阻頭部外，其它部分可以任意彎曲，適宜于安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備上進(jìn)行測(cè)溫；4、其電阻體由金屬套管和絕緣材料覆蓋，不易受到有害介質(zhì)的腐蝕，使用壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)：耐高溫的性能很差。,鎧裝熱電偶圖型,WRTK2-434/8*1000mm 鎧裝固定卡套法蘭熱電偶 WRSK-143/6*1000mm Gh3030 鎧裝防爆熱電偶 WRNK-332/4*1000mm Gh2520 鎧裝可動(dòng)卡套螺紋熱電偶,2. 分類,（1）廉價(jià)金屬熱電偶

14、1）T型（銅康銅）熱電偶，測(cè)溫范圍-200-350 2）K型（鎳鉻鎳鋁或鎳硅）熱電偶，范圍-200-1100 3）E型（鎳鉻康銅）熱電偶，上限1000 4）J型（鐵康銅）熱電偶 5）鎳鉻考銅熱電偶,（2）貴金屬熱電偶 1）S型（鉑銠10鉑）熱電偶 2）R型（鉑銠13鉑）熱電偶 3）B型（鉑銠30鉑銠6）熱電偶 4）銥銠熱電偶,1鉑鉑銠熱電偶(S型) 測(cè)量溫度：長(zhǎng)期：1300、短期：1600。,標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,2鎳鉻鎳硅(鎳鋁)熱電偶(K型) 測(cè)量溫度：長(zhǎng)期1000，短期1300。,3鎳鉻考銅熱電偶(E型) 測(cè)量溫度：長(zhǎng)期600，短期800。,4鉑銠30鉑銠6熱電偶(B型) 測(cè)量溫度：長(zhǎng)期可到16

15、00，短期可達(dá)1800。,（二）熱電偶的使用與安裝,1. 使用注意事項(xiàng)：測(cè)溫范圍，正負(fù)極性，熱偶與儀表配套否等。 2. 安裝原則,熱電偶,小結(jié),1熱電偶測(cè)溫原理。 將兩種不同性質(zhì)的一端焊接起來(lái)，即構(gòu)成一支熱電偶。當(dāng)熱電偶的兩端溫度不同時(shí)，在熱電偶回路中將產(chǎn)生熱電勢(shì)；如果冷端溫度恒定，則熱電勢(shì)只與熱端溫度有關(guān)。因此測(cè)出熱電勢(shì)，即可測(cè)得熱端溫度。 2熱電偶的基本定律。 均質(zhì)導(dǎo)體定律、中間導(dǎo)體定律和中間溫度定律為制造和使用熱電偶奠定了理論基礎(chǔ)。,熱電阻溫度計(jì),WZP2-240/A級(jí)3線300/150mmE(0-300)隔爆熱電阻 WZC-111/12*1000mm Cu50銅熱電阻 WZPK2-10

16、3/B級(jí)6*515mm(0-300)鉑熱電阻,熱電阻溫度計(jì)的測(cè)量范圍為-200-+600. 優(yōu)點(diǎn)：無(wú)冷端溫度補(bǔ)償問(wèn)題,特別適宜于低溫測(cè)量, 在中低溫下（ 500以下）測(cè)溫, 它的輸出信號(hào)比熱電偶的要大得多,故靈敏度高；電阻溫度計(jì)的輸出是電信號(hào)，因此便于信號(hào)的遠(yuǎn)傳和實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)切換測(cè)量。 缺點(diǎn)：不能測(cè)太高的溫度，需外部電源供電，連接導(dǎo)線的電阻易受環(huán)境溫度影響而產(chǎn)生測(cè)量誤差。,一、電阻溫度計(jì)的測(cè)溫原理,導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻率與溫度有關(guān)，利用此特性制成熱電阻溫度感溫件，它與測(cè)量電阻阻值的儀表配套組成熱電阻溫度計(jì)。,電阻溫度計(jì)就是利用導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)的電阻值隨著溫度變化這一特性來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量的,即把溫度變化

17、所引起導(dǎo)體電阻變化,通過(guò)測(cè)量橋路轉(zhuǎn)換成電壓(毫伏級(jí))信號(hào),然后送入顯示儀表以指示或記錄被測(cè)溫度。,大多數(shù)金屬熱電阻隨其溫度升高而增加，當(dāng)溫度升高1時(shí)，其阻值約增加0.4%0.6%，稱具有正的電阻溫度系數(shù)。 大多數(shù)半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，當(dāng)溫度升高1時(shí)，其阻值約減小3%6%，稱具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)。,二、常用熱電阻元件,1.鉑熱電阻 鉑是一種貴金屬。它的特點(diǎn)是精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠，尤其是耐氧化性能很強(qiáng)。 鉑在很寬的溫度范圍內(nèi)約1200C以下都能保證上述特性。鉑很容易提純，復(fù)現(xiàn)性好，有良好的工藝性，可制成很細(xì)的鉑絲(0.02mm或更細(xì))或極薄的鉑箔。與其它材料相比，鉑有較高的電

18、阻率，因此普遍認(rèn)為是一種較好的熱電阻材料。 缺點(diǎn)：鉑電阻的電阻溫度系數(shù)比較小； 價(jià)格貴,鉑的純度用鉑的電阻比W（100）表示，即 W（100）= R100 / R0 式中，R100 100時(shí)鉑電阻值； R0 0時(shí)鉑電阻值。 W（100）越高，則其純度越高。 分度表,2銅熱電阻 特點(diǎn)：它的電阻值與溫度的關(guān)系是線性的，電阻溫度系數(shù)也比較大，而且材料易提純，價(jià)格比較便宜，但它的電阻率低，易于氧化。 在50 150范圍內(nèi)，銅的電阻溫度關(guān)系為 Rt = R0 ( 1 + t ) 式中， 銅的電阻溫度系數(shù)。 分度表,圖2中，非平衡電橋的BD兩端接負(fù)載電阻為Ro的電壓表。該電 橋不需要調(diào)平衡，只要測(cè)量輸出電壓Uo或電流Io，就可得 到Rx值。 當(dāng)負(fù)載電阻Ro（即電橋輸出處于開(kāi)路狀態(tài)）時(shí)